Sự bùng nổ của sức mạnh tính toán mô hình-lớn đã đẩy mật độ năng lượng của chip AI và các thiết bị bán dẫn thế hệ-thứ ba cao hơn bao giờ hết. Các tản nhiệt bằng đồng và nhôm truyền thống đã đạt đến mức tối đa về hiệu suất vật lý. Trong các kịch bản-nhiệt-cao, những đột phá về tản nhiệt không còn chỉ dựa vào tối ưu hóa cấu trúc-giới hạn hiệu suất nội tại của vật liệu đã trở thành nút thắt quyết định đối với độ ổn định và tuổi thọ sử dụng của các thiết bị-cao cấp. Nhờ các đặc tính vật lý toàn diện vượt trội, kim cương đang nhanh chóng chuyển đổi từ vật liệu trong phòng thí nghiệm sang ứng dụng công nghiệp, trở thành vật liệu cốt lõi định hình lại bối cảnh quản lý nhiệt của chip-cao cấp.
Hiệu suất tản nhiệt tổng thể của Diamond là đặc biệt, với lợi thế cốt lõi bắt nguồn từ cơ chế dẫn nhiệt độc đáo. Không giống như đồng và nhôm, vốn dựa vào các electron tự do để truyền nhiệt và có những hạn chế cố hữu, kim cương dẫn nhiệt thông qua vận chuyển phonon, về cơ bản phá vỡ giới hạn tản nhiệt của vật liệu kim loại truyền thống.
Kim cương-tinh thể đơn đạt được độ dẫn nhiệt ở nhiệt độ phòng-là 2000–2200 W/(m·K)-gấp 5 đến 6 lần so với đồng và hơn 9 lần so với nhôm. Đồng thời, hệ số giãn nở nhiệt thấp (1,0–1,2×10⁻⁶/K), điện trở suất cực cao và hằng số điện môi thấp khiến nó tương thích hoàn hảo với các yêu cầu đóng gói chip. Nó đồng thời giải quyết ba thách thức lớn về tải nhiệt cao, không khớp nhiệt và nhiễu điện, đồng thời được công nhận là "vật liệu tối ưu" để tản nhiệt trong chip AI và thiết bị điện GaN.
Đối với tản nhiệt bằng chip, người ta phải đồng thời xem xét tính dẫn nhiệt, khả năng thích ứng về cấu trúc và chi phí sản xuất hàng loạt. Mặc dù kim cương đơn{2}}tinh thể nguyên chất mang lại hiệu suất cực cao nhưng rất khó xử lý và tốn kém khi sản xuất trên diện tích lớn, khiến kim cương này không phù hợp cho việc sản xuất ở quy mô-lớn. Đây là lý do chính tại sao ngành công nghiệp đã từ bỏ lộ trình tản nhiệt kim cương nguyên chất phổ biến và thay vào đó chuyển sang ưu tiên vật liệu composite kim cương.
Hiện tại, loại vật liệu hoàn thiện nhất về mặt công nghiệp và gần với việc triển khai quy mô lớn- nhất là vật liệu hỗn hợp kim cương-đồng. Vật liệu này sử dụng các hạt kim cương làm pha gia cố và đồng làm ma trận, kết hợp tính dẫn nhiệt cực cao của kim cương với độ dẻo và khả năng hàn của đồng, đạt được sự cân bằng giữa hiệu suất và tính thực tế về mặt kỹ thuật. Độ dẫn nhiệt của nó đạt 600–1000 W/(m·K), gấp 1,5–2,5 lần so với đồng nguyên chất. Bằng cách điều chỉnh tỷ lệ thể tích kim cương, hệ số giãn nở nhiệt có thể được khớp chính xác với các vật liệu bán dẫn như SiC và GaN, giải quyết hiệu quả các vấn đề cong vênh và hư hỏng mối hàn-do không khớp nhiệt trong tản nhiệt bằng đồng truyền thống.
Tuy nhiên, có một rào cản kỹ thuật tiềm ẩn: chất lượng của liên kết bề mặt kim cương-đồng quyết định trực tiếp đến hiệu suất tản nhiệt tối đa của thành phẩm. Liên kết bề mặt kém dẫn đến khả năng chịu nhiệt bề mặt nghiêm trọng, làm giảm đáng kể độ dẫn nhiệt. Do đó, các quy trình tinh tế như biến đổi bề mặt kim cương và hợp kim ma trận đồng là những rào cản công nghệ cốt lõi giúp tách biệt các công ty hàng đầu với phần còn lại và đảm bảo năng suất sản xuất-chúng cũng là những điểm cạnh tranh quan trọng trong ngành.
Ngành công nghiệp kim cương đi theo hai con đường kỹ thuật chính-đơn-tinh thể và đa tinh thể-với tốc độ công nghiệp hóa khác nhau rõ rệt. Kim cương-tinh thể đơn không chỉ là vật liệu tản nhiệt-tuyệt vời mà còn là chất bán dẫn có khoảng cách băng thông rộng-hiệu suất cao{7}}, mang lại những ưu điểm như điện áp đánh thủng cao, khả năng chống bức xạ mạnh và tính di động của sóng mang cao, có tiềm năng sử dụng trong chế tạo chip nhiệt độ cao-trong tương lai. Tuy nhiên, sự phát triển đơn tinh thể có diện tích lớn vẫn cực kỳ khó khăn. Các phương pháp chính thống-tăng trưởng ba chiều và mở rộng (xếp lát){15}}có các yêu cầu nghiêm ngặt về chất lượng tinh thể hạt giống và môi trường lắng đọng, đồng thời vẫn gặp phải các vấn đề như khoảng trống và tăng trưởng không{16}}đồng đều, khiến việc triển khai thương mại trong thời gian gần{17}} trở nên khó khăn.
Kim cương đa tinh thể được sản xuất bằng quy trình CVD, mặc dù có độ dẫn nhiệt thấp hơn một chút (1000–1800 W/(m·K)) so với kim cương đơn tinh thể- do tán xạ phonon ở ranh giới hạt, nhưng có thể được sản xuất trên diện tích lớn và với chi phí thấp hơn trên quy mô lớn. Độ dẫn nhiệt của nó được cải thiện đều đặn khi tăng kích thước hạt. Trong số này, kim cương đa tinh thể vi tinh thể và hạt-lớn mang lại sự cân bằng tốt về hiệu suất, kích thước và chi phí, đồng thời tiến trình công nghiệp hóa của chúng trong khả năng tản nhiệt của thiết bị điện-cao cấp vượt xa so với các sản phẩm tinh thể-đơn-cao cấp.
Hiện tại, việc chế tạo kim cương CVD chủ yếu dựa vào bốn loại phương pháp, trong đó quy trình MPCVD (lắng đọng hơi hóa chất plasma vi sóng) là lựa chọn ưu tiên để sản xuất kim cương đa tinh thể chất lượng cao-do ưu điểm là không nhiễm bẩn điện cực, plasma ổn định và các thông số có thể kiểm soát được. Tuy nhiên, quy trình này gặp phải trở ngại về thiết bị cứng: việc chuẩn bị màng kim cương có diện tích lớn-yêu cầu công suất vi sóng cao hơn và tần số vi sóng thấp hơn, do đó kích thước và sản lượng sản phẩm hoàn toàn bị hạn chế bởi hiệu suất phần cứng của bộ tạo vi sóng.
Hạn chế về thiết bị này ảnh hưởng trực tiếp đến toàn bộ dây chuyền công nghiệp. Hệ thống MPCVD nhập khẩu-cao cấp thường đắt tiền và thời gian giao hàng dài, hạn chế tốc độ mở rộng công suất trong nước. Đồng thời, thiết bị MPCVD công suất cao-được sản xuất trong nước đang nhanh chóng lặp lại và phá vỡ thế độc quyền công nghệ ở nước ngoài. Tốc độ triển khai-sản xuất hàng loạt sẽ trực tiếp xác định quỹ đạo giảm-chi phí của vật liệu tản nhiệt-kim cương và do đó liệu vật liệu này có thể thâm nhập từ các ứng dụng chuyên dụng cao cấp-vào các ngành điện toán-chính thống như máy chủ AI và thẻ tăng tốc hay không.