ダイヤモンドと銅の複合コールドプレートとは何ですか?

AI チップの電力がキロワットの範囲に達するにつれ、従来の銅製コールド プレートは限界に達しつつあります。銅の熱伝導率は約400 W/(m·K)はすでにあらゆる金属の中で最高の部類に入りますが、今日の GPU で平方ミリメートルを超える熱流束密度に追いつくことはできません。一方、ダイヤモンドは到達します1,000–2,000 W/(m·K)- 銅の数倍ですが、硬くて脆いため、フィン付きコールド プレートに直接機械加工することはほとんど不可能です。あダイヤモンド銅複合コールドプレートダイヤモンド粒子を銅のマトリックスに埋め込み、ダイヤモンドに熱を伝え、銅に製造可能性を持たせるという実用的な方法を採用しています。

1. 金属基複合材料とは何か

ダイヤモンド - 銅 (ダイヤモンド/Cu) 複合材料は、金属基複合材料 (MMC) ファミリーに属します。

• ダイヤモンド粒子は通常、30～50vol%;
• 銅は連続マトリックスを形成し、延性、機械加工性、ろう付け性を提供します。
• ダイヤモンドは補強材として機能し、超高い面内熱伝導率を実現します。

結果として得られるマテリアルのヒット純銅の熱伝導率の1.5～2倍熱膨張係数をシリコンに近づけて (~4 ppm/K) 調整できるため、チップ インターフェースでの熱不整合が軽減されます。同時に、この複合材料は通常の金属と同じように穴あけ、フライス加工、ろう付けが可能です。これが、この複合材料を研究室での珍品ではなく、コールド プレートとして現実的なものにしています。

2. 中心的な課題: 界面熱抵抗

本当の工学的問題は、銅にダイヤモンドを混ぜることではなく、それです。ダイヤモンドと銅の界面に熱がスムーズに流れるようにする。銅はダイヤモンドをほとんど濡らしません。溶けた銅が油上の水のようにダイヤモンド表面に玉状になり、弱い結合と高い界面熱抵抗が残ります。業界はこれを 2 つの側面から攻撃しています。

• ダイヤモンド表面メタライゼーション: 銅の濡れ性を向上させるために、ダイヤモンド グリット上に Ti、Cr、W、または Mo の薄いコーティングが堆積されます。
• 合金銅マトリックス：B、Zr、Crなどの活性元素が銅に添加されています。それらは界面でダイヤモンド炭素と反応して炭化物中間層を形成します。

どのルートがうまく行われるかによって、完成した材料が 800 W/(m・K) に達するか、500 程度で失速するかが決まります。

3. 作り方：主流の3つのプロセス

• 粉末冶金ホットプレス: ダイヤモンドと銅の粉末を混合し、熱と圧力下で焼結します。成熟していて比較的低コスト。
• 真空・ガス圧浸透: ダイヤモンドプリフォームを金型に配置し、真空および圧力下で溶融銅を粒子床に浸透させます。高密度およびより高いダイヤモンド体積分率が達成可能です。
• 放電プラズマ焼結（SPS）: パルス電流により急速加熱、微細粒子、制御された界面反応が得られます。研究開発およびハイエンドの小ロット部品に好まれています。

次に、ビレットはマイクロチャネル構造に機械加工され、流体フィッティングにろう付けされ、表面処理されてから、AI サーバーに組み込まれるコールド プレートになります。

4. テクノロジーがどこへ向かうのか

• より高いダイヤモンド充填量: 40 vol% から 60 vol%+ に移行すると、熱伝導率が 900 ～ 1,000 W/(m・K) に上昇します。
• 統合されたマイクロチャネル: Frore の LiquidJet Diamond などの製品と同じ方向で、単一のコールド プレート内でダイヤモンドと銅の複合材料をマイクロチャネル流れ場と組み合わせます。
• コスト削減：国内のダイヤモンド微粉末の供給とプロセスの成熟度が向上するにつれて、原材料と加工コストは急速に低下しており、材料は紙から大量供給へと移行しています。
• アプリケーションの拡張: AI GPU を超えて、この材料は EV パワー モジュール (SiC / GaN)、5G/6G 基地局、レーザー ダイオード、航空宇宙エレクトロニクスに移行しています。
• 規格: 熱伝導率、界面抵抗、疲労寿命に関する業界標準が構築され、大規模調達への道が開かれています。

5. この分野に位置する企業

中国側では、公表されている選手としては以下の選手が挙げられる。

• スゴンデジタル: C8000 V3.0 メガワットクラスの相変化浸漬液冷ラックは、ダイヤモンド銅製熱材料を初めて大規模に導入したもので、熱伝導率が 80% 向上し、200 W/cm2 以上の放熱を実現します。
• ワールドディア: コールドプレート熱拡散用のダイヤモンドと銅の複合材料を開発し、現在下流の顧客にサンプリングを行っています。
• シファンダ: CVD ダイヤモンド ヒート スプレッダは顧客テストに合格し、小ロットの注文を獲得し、年間 25,000 個の生産拠点を建設中です。
• 黄河旋風: 自社開発のダイヤモンド - シリコン - カーバイド複合材料は 700 W/(m・K) 以上に達し、CTE はシリコン基板と一致します。 8 インチのダイヤモンド ヒートシンク ラインはすでに生産されています。
• 中南ダイヤモンド、メガダイヤモンド、恵峰ダイヤモンドおよびその他の超硬材料メーカーは、ダイヤモンド微粉末および複合原料の分野に位置しています。

国際的には、Element Six (英国)、Diamond Materials (ドイツ)、Morgan Advanced Materials、および Coherent はいずれも、ダイヤモンドと銅、およびダイヤモンドとアルミニウムの複合材料に関する長期にわたるプログラムを構築してきました。

終わりに

ダイヤモンドと銅の複合コールド プレートは、銅をダイヤモンドに置き換えるものではありません。組み合わせるということですダイヤモンドの熱伝導率と銅の製造可能性純粋な金属では真似できない中間材料を作ること。 AI チップの能力が向上し続け、従来の銅製コールド プレートが物理的限界に近づいているため、この材料は紙上の数値から実際のデータセンター内で真に生産可能なコンポーネントに移行しつつあります。

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