การระเบิดของพลังการประมวลผลแบบจำลองขนาดใหญ่-ได้ผลักดันความหนาแน่นของพลังงานของชิป AI และอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม-ให้สูงขึ้นกว่าที่เคย แผงระบายความร้อนทองแดงและอลูมิเนียมแบบดั้งเดิมมีประสิทธิภาพทางกายภาพเกินขีดจำกัด ในสถานการณ์-ความร้อน-ฟลักซ์สูง ความก้าวหน้าในการกระจายความร้อนไม่ต้องอาศัยการปรับโครงสร้างให้เหมาะสมเพียงอย่างเดียวอีกต่อไป-ขีดจำกัดประสิทธิภาพของวัสดุจากภายในได้กลายเป็นปัญหาคอขวดที่สำคัญสำหรับความเสถียรและอายุการใช้งานของอุปกรณ์ระดับไฮเอนด์- ด้วยคุณสมบัติทางกายภาพที่ครอบคลุมที่โดดเด่น เพชรจึงเปลี่ยนจากวัสดุในห้องปฏิบัติการไปเป็นการใช้งานทางอุตสาหกรรมอย่างรวดเร็ว และกลายเป็นวัสดุหลักที่เปลี่ยนรูปแบบการจัดการระบายความร้อนของชิประดับไฮเอนด์-
ประสิทธิภาพการกระจายความร้อนโดยรวมของ Diamond นั้นยอดเยี่ยม โดยมีข้อได้เปรียบหลักที่เกิดจากกลไกการนำความร้อนอันเป็นเอกลักษณ์ แตกต่างจากทองแดงและอลูมิเนียมซึ่งอาศัยอิเล็กตรอนอิสระในการถ่ายเทความร้อนและมีข้อจำกัดโดยธรรมชาติ เพชรนำความร้อนผ่านการขนส่งโฟนอน โดยพื้นฐานแล้วทะลุเพดานการกระจายความร้อนของวัสดุโลหะแบบดั้งเดิม
เพชรคริสตัลเดี่ยว-มีการนำความร้อนที่อุณหภูมิห้อง-ได้ 2000–2200 W/(m·K)- 5 ถึง 6 เท่าของทองแดงและมากกว่า 9 เท่าของอะลูมิเนียม ในเวลาเดียวกัน ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่ต่ำ (1.0–1.2×10⁻⁶/K) ความต้านทานไฟฟ้าสูงเป็นพิเศษ และค่าคงที่ไดอิเล็กทริกต่ำ ทำให้เข้ากันได้อย่างสมบูรณ์แบบกับข้อกำหนดการบรรจุชิป โดยจัดการกับความท้าทายหลักสามประการพร้อมกัน ได้แก่ โหลดความร้อนสูง ความไม่ตรงกันของความร้อน และการรบกวนทางไฟฟ้า และได้รับการยอมรับว่าเป็น "วัสดุขั้นสูงสุด" สำหรับการกระจายความร้อนในชิป AI และอุปกรณ์จ่ายไฟ GaN
สำหรับแผงระบายความร้อนของชิป เราต้องพิจารณาการนำความร้อน การปรับโครงสร้าง และต้นทุนการผลิตจำนวนมากไปพร้อมๆ กัน แม้ว่าเพชรคริสตัลเดี่ยว-บริสุทธิ์จะให้ประสิทธิภาพสูงสุด แต่ก็ยากต่อการประมวลผลและมีค่าใช้จ่ายสูงในการผลิตในพื้นที่ขนาดใหญ่ ทำให้ไม่เหมาะสำหรับการผลิตขนาดใหญ่- นี่คือเหตุผลสำคัญว่าทำไมอุตสาหกรรมจึงละทิ้งเส้นทางของแผงระบายความร้อนเพชรบริสุทธิ์แบบสากล และหันไปให้ความสำคัญกับวัสดุคอมโพสิตเพชรแทน
ในปัจจุบัน การใช้งานเชิงอุตสาหกรรมที่เติบโตเต็มที่และใกล้เคียงกับขนาดใหญ่ที่สุด-คือวัสดุคอมโพสิตทองแดงเพชร วัสดุนี้ใช้อนุภาคเพชรเป็นเฟสเสริมแรงและใช้ทองแดงเป็นเมทริกซ์ ผสมผสานค่าการนำความร้อนสูงพิเศษ-ของเพชรเข้ากับความเหนียวและความสามารถในการบัดกรีของทองแดง ทำให้เกิดความสมดุลระหว่างประสิทธิภาพและการใช้งานจริงทางวิศวกรรม ค่าการนำความร้อนสูงถึง 600–1000 W/(m·K) ซึ่งมากกว่าทองแดงบริสุทธิ์ 1.5–2.5 เท่า ด้วยการปรับเศษส่วนปริมาตรเพชร ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวจากความร้อนสามารถจับคู่กับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ เช่น SiC และ GaN ได้อย่างแม่นยำ ซึ่งช่วยแก้ปัญหาการบิดเบี้ยวและความล้มเหลวของข้อต่อ-ที่เกิดจากข้อต่อที่เกิดจากความร้อนไม่ตรงกันในแผงระบายความร้อนทองแดงแบบดั้งเดิมได้อย่างมีประสิทธิภาพ
อย่างไรก็ตาม มีอุปสรรคทางวิศวกรรมที่ซ่อนอยู่: คุณภาพของการเชื่อมส่วนต่อประสานระหว่างเพชร-ทองแดงจะเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพการกระจายความร้อนขั้นสูงสุดของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปโดยตรง การยึดเกาะระหว่างพื้นผิวที่ไม่ดีจะนำไปสู่การต้านทานความร้อนระหว่างพื้นผิวอย่างรุนแรง ส่งผลให้ค่าการนำความร้อนลดลงอย่างมาก ดังนั้น กระบวนการที่ละเอียด เช่น การปรับเปลี่ยนพื้นผิวเพชรและการผสมเมทริกซ์ทองแดงจึงเป็นอุปสรรคทางเทคโนโลยีหลักที่แยกบริษัทชั้นนำออกจากบริษัทอื่นๆ และรับประกันผลผลิต-ซึ่งเป็นจุดแข่งขันที่สำคัญในอุตสาหกรรมด้วย
อุตสาหกรรมเพชรดำเนินไปในสองเส้นทางทางเทคนิคหลักคือ-คริสตัลไลน์เดี่ยว-และโพลีคริสตัลไลน์- โดยมีแนวทางการพัฒนาทางอุตสาหกรรมที่แตกต่างกันอย่างเห็นได้ชัด เพชรคริสตัลเดี่ยว-ไม่เพียงแต่เป็นวัสดุกระจายความร้อน-ที่ดีเยี่ยมเท่านั้น แต่ยังเป็นเซมิคอนดักเตอร์แบนด์แกป-ประสิทธิภาพสูง-ด้วย โดยให้ข้อดีต่างๆ เช่น แรงดันไฟฟ้าพังทลายสูง ความต้านทานรังสีสูง และความคล่องตัวของพาหะสูง พร้อมศักยภาพในอนาคตสำหรับใช้ในการผลิตชิปที่อุณหภูมิสูง- อย่างไรก็ตาม การเติบโตของคริสตัล-พื้นที่เดียว-ขนาดใหญ่ยังคงมีความท้าทายอย่างมาก วิธีการทั่วไป-การเติบโตแบบสาม-และการขยาย (การเรียงต่อกัน)-มีข้อกำหนดที่เข้มงวดเกี่ยวกับคุณภาพผลึกของเมล็ดและสภาพแวดล้อมการสะสม และยังคงประสบปัญหา เช่น ช่องว่างและ-การเติบโตที่ไม่สม่ำเสมอ ซึ่งทำให้-การใช้งานเชิงพาณิชย์ในระยะสั้น{17}}ทำได้ยาก
เพชรโพลีคริสตัลไลน์ที่ผลิตโดยกระบวนการ CVD แม้ว่าจะมีค่าการนำความร้อนต่ำกว่าเล็กน้อย (1000–1800 W/(m·K)) มากกว่าเพชรคริสตัลเดี่ยว- เนื่องจากการกระเจิงของโฟนอนที่ขอบเกรน แต่สามารถผลิตได้ในพื้นที่ขนาดใหญ่และด้วยต้นทุนที่ต่ำกว่าในระดับมวล ค่าการนำความร้อนจะดีขึ้นอย่างต่อเนื่องตามขนาดเกรนที่เพิ่มขึ้น ในบรรดาเพชรเหล่านี้ เพชรโพลีคริสตัลไลน์แบบไมโครคริสตัลไลน์-เม็ดใหญ่มีความสมดุลที่ดีระหว่างประสิทธิภาพ ขนาด และราคา และความก้าวหน้าทางอุตสาหกรรมในการ-การกระจายความร้อนของอุปกรณ์พลังงานระดับไฮเอนด์นั้นเหนือกว่าผลิตภัณฑ์คริสตัลไลน์-เอนด์เดี่ยว-ระดับสูงมาก
ปัจจุบัน การผลิตเพชร CVD อาศัยวิธีการสี่ประเภทเป็นหลัก โดยกระบวนการ MPCVD (การสะสมไอสารเคมีในพลาสมาด้วยไมโครเวฟ) เป็นตัวเลือกที่ต้องการสำหรับการผลิตเพชรโพลีคริสตัลไลน์คุณภาพสูง- เนื่องจากข้อดีของการไม่มีการปนเปื้อนของอิเล็กโทรด พลาสมาที่เสถียร และพารามิเตอร์ที่ควบคุมได้ อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้เผชิญกับปัญหาคอขวดของอุปกรณ์หนัก: การเตรียมฟิล์มเพชรในพื้นที่ขนาดใหญ่-ต้องใช้พลังงานไมโครเวฟที่สูงขึ้นและความถี่ไมโครเวฟที่ต่ำกว่า ดังนั้นขนาดและผลลัพธ์ของผลิตภัณฑ์จึงถูกจำกัดโดยประสิทธิภาพของฮาร์ดแวร์ของเครื่องกำเนิดไมโครเวฟโดยสิ้นเชิง
ข้อจำกัดของอุปกรณ์นี้ส่งผลโดยตรงต่อห่วงโซ่อุตสาหกรรมทั้งหมด ระบบ MPCVD ที่นำเข้าระดับไฮเอนด์-มีราคาแพงและมีระยะเวลาในการจัดส่งนาน ซึ่งเป็นข้อจำกัดในการขยายกำลังการผลิตในประเทศ ในเวลาเดียวกัน อุปกรณ์ MPCVD กำลังสูง-ที่ผลิตในประเทศกำลังทำซ้ำอย่างรวดเร็วและทำลายการผูกขาดทางเทคโนโลยีในต่างประเทศ ความเร็วของ-การใช้งานการผลิตจำนวนมากจะเป็นตัวกำหนด-วิถีการลดต้นทุนของวัสดุกระจายความร้อนของเพชร-โดยตรง และด้วยเหตุนี้ วัสดุนี้สามารถเจาะจากแอปพลิเคชันเฉพาะทางระดับสูง-เข้าสู่อุตสาหกรรมพลังงานประมวลผลกระแสหลัก- เช่น เซิร์ฟเวอร์ AI และการ์ดเร่งความเร็วได้หรือไม่