대형 모델 컴퓨팅 성능이 폭발적으로 증가하면서 AI 칩과 3세대{1}}반도체 장치의 전력 밀도가 그 어느 때보다 높아졌습니다. 기존의 구리 및 알루미늄 방열판은 물리적 성능의 한계에 도달했습니다. 높은-열-플럭스 시나리오에서 열 방출의 획기적인 발전은 더 이상 구조적 최적화에만 의존하지 않습니다.-내재적인 재료 성능 한계는 고급 장치의 안정성과 서비스 수명에 대한 결정적인 병목 현상이-되었습니다. 뛰어난 종합적 물리적 특성 덕분에 다이아몬드는 실험실 재료에서 산업 응용 분야로 빠르게 전환하고 있으며 고급 칩의 열 관리 환경을 재편하는 핵심 재료가 되었습니다-.
다이아몬드의 전반적인 열 방출 성능은 탁월하며, 고유한 열 전도 메커니즘에서 비롯되는 핵심 이점이 있습니다. 열 전달을 위해 자유 전자에 의존하고 본질적인 한계가 있는 구리 및 알루미늄과 달리 다이아몬드는 포논 전달을 통해 열을 전도하여 근본적으로 전통적인 금속 재료의 열 방출 한계를 돌파합니다.
단-크리스탈 다이아몬드는 상온 열전도율이 2000~2200W/(m·K)-동-동의 5~6배, 알루미늄의 9배 이상인 상온 열전도율을 달성합니다. 동시에 낮은 열팽창 계수(1.0–1.2×10⁻⁶/K), 초고저항성 및 낮은 유전 상수 덕분에 칩 패키징 요구 사항에 완벽하게 부합합니다. 높은 열부하, 열 불일치, 전기 간섭이라는 세 가지 주요 과제를 동시에 해결하며 AI 칩 및 GaN 전력 장치의 방열을 위한 '궁극의 소재'로 인정받고 있습니다.
칩 방열판의 경우 열전도도, 구조적 적응성 및 대량{0}}생산 비용을 동시에 고려해야 합니다. 순수 단결정-다이아몬드는 뛰어난 성능을 제공하지만 가공이 어렵고 넓은 면적에 걸쳐 생산하는 데 비용이 많이 들기 때문에 대규모 제조에는 적합하지 않습니다.- 이것이 업계가 범용 순수 다이아몬드 방열판 경로를 포기하고 대신 다이아몬드 복합 재료의 우선 순위를 정한 주요 이유입니다.
현재 산업적으로 가장 성숙하고 대규모 배포에 가장 가까운{0}} 것은 다이아몬드-구리 복합 재료입니다. 이 재료는 강화상으로 다이아몬드 입자를 사용하고 매트릭스로 구리를 사용하여 다이아몬드의 매우 높은 열 전도성과 구리의 연성 및 납땜성을 결합하여 성능과 엔지니어링 실용성 간의 균형을 유지합니다. 열전도율은 순수 구리의 1.5~2.5배인 600~1000W/(m·K)에 이릅니다. 다이아몬드 부피 비율을 조정함으로써 열팽창 계수를 SiC 및 GaN과 같은 반도체 재료에 정확하게 일치시킬 수 있으며, 기존 구리 방열판의 열 불일치로 인해 발생하는 뒤틀림 및 납땜{9}}접합 불량 문제를 효과적으로 해결할 수 있습니다.
그러나 숨겨진 엔지니어링 장벽이 있습니다. 즉, 다이아몬드-구리 인터페이스 결합의 품질이 최종 제품의 궁극적인 열 방출 성능을 직접적으로 결정합니다. 열악한 계면 결합은 심각한 계면 열 저항을 초래하여 열 전도성을 크게 저하시킵니다. 따라서 다이아몬드 표면 개질, 구리 매트릭스 합금화와 같은 미세 공정은 선도 기업을 나머지 기업과 구분하고 생산 수율을 보장하는 핵심 기술 장벽입니다.{2}}또한 업계의 주요 경쟁 포인트이기도 합니다.
다이아몬드 산업은 산업화 속도가 현저히 다른 두 가지 주요 기술 경로({0}}단일-결정 및 다결정-)를 따릅니다. 단-결정 다이아몬드는 뛰어난 방열 재료일 뿐만 아니라 고성능-광대역-밴드갭 반도체로서 높은 항복 전압, 강한 방사선 저항, 높은 캐리어 이동도 등의 장점을 제공하며 미래에 고온 칩 제조에 사용될 가능성이 있습니다. 그러나 대면적-단결정-결정 성장은 여전히 매우 어려운 과제로 남아 있습니다. 주류 방법인 -3차원-성장 및 (타일링) 확장-은 종자 결정 품질 및 증착 환경에 대한 엄격한 요구 사항을 갖고 있으며 여전히 간격 및 불균일한 성장과 같은 문제로 어려움을 겪고 있어 단기적인-상업적 배포가 어렵습니다.
CVD 공정으로 생산된 다결정 다이아몬드는 결정립계의 포논 산란으로 인해 단결정 다이아몬드보다 열전도율(1000~1800W/(m·K))이 약간 낮지만{2}}대량 생산이 가능하고 대량 생산이 가능합니다. 열전도율은 입자 크기가 증가함에 따라 꾸준히 향상됩니다. 이 중에서 미정질 다이아몬드와 큰-결정립 다결정 다이아몬드는 성능, 크기 및 비용의 균형이 잘 잡혀 있으며 고급-전력 장치 방열 분야의 산업화 진행 상황이 고급-단결정-제품보다 훨씬 뛰어납니다.
현재 CVD 다이아몬드 제조는 주로 네 가지 유형의 방법에 의존하고 있으며 그 중 MPCVD(마이크로파 플라즈마 화학 기상 증착) 공정은 전극 오염이 없고 안정적인 플라즈마 및 제어 가능한 매개변수라는 장점으로 인해 고품질 다결정 다이아몬드를 생산하는 데 선호되는 선택입니다. 그러나 이 프로세스는 어려운 장비 병목 현상에 직면합니다. 대면적 다이아몬드 필름을 준비하려면 더 높은 마이크로파 전력과 더 낮은 마이크로파 주파수가 필요하므로 제품 크기와 출력은 마이크로파 발생기의 하드웨어 성능에 의해 전적으로 제한됩니다.
이러한 장비 제한은 전체 산업 체인에 직접적인 영향을 미칩니다. 고급-수입 MPCVD 시스템은 가격이 비싸고 납품 리드 타임이 길어 국내 생산 능력 확장 속도를 제한합니다. 동시에 국내에서 생산되는 고출력 MPCVD 장비는 빠르게 반복되며 해외 기술 독점을 깨고 있습니다. 대량 생산 배포 속도는-다이아몬드 방열 재료의 비용 절감 궤적-을 직접적으로 결정하며, 이에 따라 이 재료가 고급-특수 애플리케이션에서 AI 서버 및 가속기 카드와 같은 주류 컴퓨팅-전력 산업으로 침투할 수 있는지 여부를 결정합니다.