鑽石金屬(鑽金)的複合材料:電腦晶片的熱透介面

 

刊登日期:2009/1/16
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工業鑽石磨粒可以銅或鋁滲透製成鑽石金屬(鑽金)散熱片。這種複合材料不僅熱傳導率遠高於現有的銅散熱片,它的熱膨脹率更可調整,使其與半導體的晶片同步。這樣鑽金散熱片就可直接和晶片銲合,避免熱流被散熱膏阻斷。本文不僅闡述鑽金散熱片的設計理念,也提供諸多的實測結果,作為未來設計電腦CPU 晶片溫度控制的參考。

鑽石散熱片
鑽石在常溫的熱傳導率是銅的五倍,而其熱擴散率更是十倍以上。鑽石可把晶片的廢熱帶走,也能即時降低晶片的溫度梯度,這樣就可避免熱點在瞬間升溫太高(圖三)。鑽石不僅散熱快而且熱脹小,它的抗壓強度(500GPa)也遠遠超過其他材料(<10 GPa)。尤有進者,鑽石抗電壓的能力(崩潰電壓)更遙遙領先其他散熱材料。這意味著以鑽石膜作為封裝結構時, CPU 的電壓及功率可以大幅增加,而使電腦的性能如虎添翼。


圖三、鑽石可有效均溫晶片並消除其熱點。圖示金屬散熱片的溫度梯度比鑽石大很多(即熱阻較高)。DiAl 為鑽鋁的複合散熱片

雖然鑽石的散熱效果良好,但因其價格昂貴,並不適合大量用在CPU 上。有鑑於此,宋健民乃發明鑽石結合金屬的複合材料,利用廉價(每克拉1 毛美元)工業鑽石磨粒為骨材,再以銀、銅或鋁滲透其間,製成鑽金(鑽石金屬)散熱片。金屬催化劑(如鐵鎳合金)將石墨轉化成鑽石可一次形成鑽石−石墨及金屬的三元複合散熱片(圖五)。鑽石磨粒除了可以提高金屬的熱傳導率外,也能降低後者的熱膨脹率。矽晶片及半導體的熱膨脹率遠低於金屬,因此銅散熱片不能銲接在CPU 上,只好以流質的熱介面材料(Thermal Interface Materials; TIM)填充其間。TIM 的熱傳導率不到銅片的百分之一,因此它其實是一種斷熱材料,反而會使晶片上的熱點凝聚不散。宋健民也曾發明以鑽石微粉加入流質的散熱膠使TIM 的熱傳導率提高至約7 W/mK ,但它仍比金屬銲料傳熱慢得多。若鑽石磨粒可把金屬的熱膨脹係數降到半導體範圍,鑽金散熱片就可直接銲在晶片上,乃至下游的熱沈(Heat Sink)上,這樣就可將晶片和熱沈連成一體,避免熱流被TIM 阻斷。


圖五、以宋健民專利DiaCanTM技術可合成密集的排列鑽石,因此可能直接由石墨製成鑽金散熱片

鑽銅及鑽鋁
由於熔融的銅不能潤濕鑽石,必須在超高壓下才能滲透並填滿鑽石磨粒間的空隙,這樣就可製成各種形狀的鑽銅散熱片。鋁可勉強潤濕鑽石,故可在低壓下製成鑽鋁散熱片,鑽金複合材料的外部可形成金屬表層。這樣就可加工磨平,乃至銲接在晶片或熱沈上。鑽金散熱片內的鑽石體積比率越高,熱傳導的速度也會加快(圖十)。然而顆粒粗的鑽石磨粒,其體積比難以提高。但細粒的鑽石磨粒表面熱阻加大,也不利於傳熱。根據實驗,鑽金散熱片的最佳粒度及體積比率。


圖十、鑽金散熱片的內部構造顯示鑽石顆粒密集緊靠,可縮短熱流在金屬內的傳播路徑

鑽金散熱片產品
自從2002 年由美國Adranced DiamondSolutions (ADS)推出中砂製造的DiCu 及DiAl 的HeaThruTM 鑽金散熱片後,若干公司在2008 年也試製相似產品,例如奧地利的Plansee及台灣的Advonced Diamond Technology 等。2008年底Electronics Cooling, 14-4, p18-24 刊載了Plansee 鑽金散熱片的製程及產品(Ravi Bollina & Sven Knippscheer, Advanced Metal Diamond Composites-Love & Heat Relationship)。Plansee 鑽金散熱片的熱傳導率及熱膨脹率的範圍。圖十七為該鑽金散熱片的表層狀態。


圖十七、Plansee 鑽金散熱片的表層

單層鑽石鑽鋁散熱片
多層鑽石的複合材料鑽石分佈不均,增加了熱阻。單層鑽石不僅可以規則排列,使鑽石體積比極大化,而且其製造成本也可大幅降低。單層鑽石靠排列立方體的大顆鑽石(如1mm)才能發揮最大效果。一般的工業鑽石顆粒很小(<0.5mm),而且形狀不規則,難以排列。台灣現已發展出DiaCanTM 技術可以將晶種排列生長成大顆粒的鑽石,這是全球首創的鑽石生長法,可以大幅提高鑽石的單產(9 克拉/㏄)及品質(晶形完整)。DiaCanTM 技術不僅可降低生產成本,更可長出立方體的鑽石,如圖廿四所示。立方晶可密集排列後以熔鋁滲透,製成單層鑽石散熱片,其鑽石的熱傳導率可能超過1000 W/mK ,比銅高兩倍以上。根據估計,以DiaCanTM 大量生產0.5mm 立方晶鑽石的成本約為NT 200 ,每個DiaCanTM 每小時可產出約5000 顆鑽石,故每顆的成本可低至不及NT$0.1 。CPU 的晶片小於1cm ,若散熱片的面積為2×2 cm ,需1600 顆鑽石立方晶,其成本約NT$160 。加上滲透鋁及其他製作費(如鑲入41×41m的標準銅片),每個CPU 的散熱片可能售價為NT$300 。另外根據Plansee 的估計,鑽金散熱片的熱傳導率及相對價格,如圖廿六所示。雖然該類散熱片比大量使用的銅散熱片仍貴數倍,但因鑽鋁散熱片可使CPU 的時脈突破4GHz ,所以它有望成為未來超速電腦的新寵兒。


圖廿六、45×45×2mm 散熱片的價格範圍

結 論
鑽金散熱片為台灣發明的新產品,它可使CPU 的時脈加快,電腦的運算速度因此會更上層樓。除了做為CPU 的散熱片外,鑽金散熱片也可併成更大面積,用來降低其他光電產品的熱點溫度,包括密集LED(如照明用)晶粒或高亮投影機晶片等。

對鑽石金屬(鑽金)的複合材料:電腦晶片的熱透介面有興趣者,歡迎mail至materialsnet@itri.org.tw

作者:宋健民、甘明吉、胡紹中、Michael Sung / 中國砂輪企業股份有限公司
★本文節錄自「工業材料雜誌265期」,更多資料請見:https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=7465


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