將表面改性的金剛石顆粒裝填到金屬模具內(nèi)，再將模具與銅一并置于真空氣壓浸滲爐中，將爐內(nèi)抽成真空后加熱至1000度左右，再將熔化的銅液澆注到復(fù)合坯料中……從粉料裝填到出爐，歷經(jīng)約5個(gè)小時(shí)，一爐散熱性能極佳的金剛石/銅復(fù)合產(chǎn)品順利制備完成。

這是湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院“高導(dǎo)‘芯’材——開(kāi)啟芯片散熱新時(shí)代”學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)改進(jìn)制作工藝自主研發(fā)出來(lái)的高導(dǎo)熱金剛石/銅散熱產(chǎn)品。該技術(shù)產(chǎn)品的問(wèn)世，對(duì)于打破國(guó)外技術(shù)封鎖，推動(dòng)我國(guó)高功率芯片封裝技術(shù)的進(jìn)步，為我國(guó)第三代半導(dǎo)體芯片應(yīng)用體系升級(jí)換代提供了有力的基礎(chǔ)材料支撐。該團(tuán)隊(duì)在第九屆湖南省“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽中獲職教賽道創(chuàng)意組一等獎(jiǎng)。

00后青年自建團(tuán)隊(duì)，攻堅(jiān)中國(guó)芯片散熱材料痛點(diǎn)問(wèn)題

“芯片的設(shè)計(jì)制造被稱(chēng)為‘人類(lèi)工業(yè)皇冠上的明珠’，是電子信息產(chǎn)業(yè)的核心基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)之一，是國(guó)家科技實(shí)力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的重要體現(xiàn)。我們每天使用的電子產(chǎn)品，比如手機(jī)、電腦等，這些產(chǎn)品的運(yùn)行都離不開(kāi)芯片，它是電子產(chǎn)品的靈魂。隨著第三代半導(dǎo)體芯片技術(shù)快速發(fā)展，芯片高集成化、小型化方向發(fā)展趨勢(shì)明顯，對(duì)芯片的散熱性要求越來(lái)越高。而市場(chǎng)上的芯片熱管理材料生產(chǎn)技術(shù)被國(guó)外壟斷，無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)與應(yīng)用。”2021年，湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院焊接專(zhuān)業(yè)學(xué)生陽(yáng)展望從“工程材料與熱處理”課堂上了解到中國(guó)芯片散熱材料“卡脖子”現(xiàn)狀后，便萌發(fā)了自主研發(fā)國(guó)產(chǎn)芯片散熱材料的念頭，他找到學(xué)校材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)教師肖靜博士擔(dān)任指導(dǎo)老師，并著手組建團(tuán)隊(duì)。

“芯片散熱產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)涉及多個(gè)領(lǐng)域多個(gè)學(xué)科，我們團(tuán)隊(duì)成員來(lái)自焊接自動(dòng)化、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等不同專(zhuān)業(yè)?！标?yáng)展望介紹，當(dāng)初團(tuán)隊(duì)招募成員的信息一發(fā)出，便有許多人報(bào)名，最終挑選了15名學(xué)生加入其中。

2021年10月，在湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院7509教室，高導(dǎo)“芯”材創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)正式成立，當(dāng)時(shí)他們僅擁有一個(gè)工序的設(shè)備，啟動(dòng)資金大多為自籌。如今，該團(tuán)隊(duì)擁有核心技術(shù)相關(guān)專(zhuān)利8項(xiàng)，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人以第一發(fā)明人身份申報(bào)專(zhuān)利3項(xiàng)，團(tuán)隊(duì)成員近3年累計(jì)獲得全國(guó)先進(jìn)成圖大賽一等獎(jiǎng)等國(guó)家級(jí)、省級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)40余項(xiàng)，組織創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和科普活動(dòng)44場(chǎng)次。

“當(dāng)前人工智能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展，我們00后青年滿(mǎn)懷對(duì)祖國(guó)的熱愛(ài)，立志走技能成才、技能報(bào)國(guó)之路，不斷改進(jìn)和創(chuàng)新技術(shù)，打破技術(shù)壟斷，為我國(guó)芯片‘卡脖子’領(lǐng)域貢獻(xiàn)青春力量?！标?yáng)展望表示。

800次實(shí)驗(yàn) 千度高溫 工匠精神砥礪前行

“這個(gè)鎢粉旋轉(zhuǎn)的速度快了，金剛石還有兩個(gè)面沒(méi)鍍上鎢?！薄斑@個(gè)面，鎢粉鍍得不均勻?！薄谕堑募庸ぶ行?#xff0c;陽(yáng)展望與隊(duì)員陳月芬研究經(jīng)常金剛石表面改性的問(wèn)題，一站就是3個(gè)小時(shí)，他們的目標(biāo)是借助自己研發(fā)的金剛石表面改性裝置，將50—100微米大小的金剛石的12個(gè)面均勻地鍍上鎢粉，從而減少界面熱阻，使金剛石與銅更好地結(jié)合。

“金剛石/銅復(fù)合材料被譽(yù)為最具有潛力的新一代熱管理材料。然而金剛石是自然界中天然存在的最堅(jiān)硬的物質(zhì)，如何將它與銅復(fù)合，降低界面熱阻，是我們?cè)谘邪l(fā)過(guò)程中面臨的最大難題。同時(shí)，用什么樣的方法降低生產(chǎn)成本，解決產(chǎn)品難加工問(wèn)題也是團(tuán)隊(duì)想要攻克的難題。”肖靜介紹，經(jīng)過(guò)走訪調(diào)研50余家企業(yè)，查閱了上千篇文獻(xiàn)資料后，高導(dǎo)“芯”材創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)最終將研究目標(biāo)鎖定為金剛石/銅復(fù)合材料。

現(xiàn)在該團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)出金剛石/銅復(fù)合材料需要三道核心工藝，而當(dāng)時(shí)團(tuán)隊(duì)只有1道工序設(shè)備，他們與湖南浩威特公司開(kāi)展合作，利用該公司的設(shè)備，去完成其他兩道生產(chǎn)程序。記者了解到，該團(tuán)隊(duì)成員經(jīng)常是學(xué)校公司兩地跑，既要完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)的“腦力活”，也要干手提重物的“體力活”，在生產(chǎn)出金剛石/銅復(fù)合材料時(shí)，他們經(jīng)常提著10斤重的坩堝爬上4米高的爐子頂部，打開(kāi)重約100斤的爐蓋，將金剛石、銅錠和坩堝一起放置在爐中，爐子運(yùn)作起來(lái)里面的溫度高達(dá)千度，爐外溫度接近40℃，大家厚厚的工裝都可以擰出汗水來(lái)。

“推倒重來(lái)反復(fù)嘗試，我們已經(jīng)開(kāi)展了800余次實(shí)驗(yàn)，機(jī)器一開(kāi)，我們就要守上3個(gè)多小時(shí)，記錄不同溫度、壓強(qiáng)參數(shù)下金剛石/銅復(fù)合材料的生產(chǎn)狀況，經(jīng)常錯(cuò)過(guò)吃飯的時(shí)間?！标愒路冶硎?#xff0c;團(tuán)隊(duì)以工匠精神為引領(lǐng)，精益求精地研發(fā)產(chǎn)品。

經(jīng)過(guò)金剛石表面改性工藝創(chuàng)新、真空氣壓浸滲設(shè)備創(chuàng)新及模具數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造工藝創(chuàng)新，該團(tuán)隊(duì)成功將金剛石/銅復(fù)合材料的熱導(dǎo)率由700W/m·K提升至890W/m·K，產(chǎn)品表面的粗糙度從1.6微米降低到了≤0.8微米，相當(dāng)于1/50頭發(fā)絲直徑的大小。

5小時(shí)每爐 批量生產(chǎn) 國(guó)產(chǎn)散熱材料助力芯片升級(jí)迭代

“以往企業(yè)生產(chǎn)一爐金剛石/銅復(fù)合材料產(chǎn)品需要9.5個(gè)小時(shí)，如今我們可以控制在5小時(shí)/爐，高端芯片散熱產(chǎn)品生產(chǎn)周期縮短了58%，每爐節(jié)省165度電，能耗降低30%。同時(shí)，金剛石/銅復(fù)合材料產(chǎn)品的設(shè)備成本由300萬(wàn)元降低至190萬(wàn)元?！毙れo表示，團(tuán)隊(duì)解決了金剛石/銅產(chǎn)品加工精度與效率難以兼顧的難題，產(chǎn)品精度可控制在±0.01微米，使金剛石/銅復(fù)合材料大規(guī)模生產(chǎn)由理想變成了現(xiàn)實(shí)。

“芯片在運(yùn)作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，如果不及時(shí)散熱會(huì)降低芯片使用壽命和可靠性。芯片溫度在70℃以上時(shí)，每升高1℃，可靠性降低5%，溫升50℃時(shí)的芯片壽命只有25℃時(shí)的1/6。我們生產(chǎn)的金剛石/銅復(fù)合材料熱導(dǎo)率高，熱膨脹系數(shù)與芯片十分匹配，能夠?yàn)樾酒皶r(shí)散熱?！标?yáng)展望表示，從指甲殼般大小的芯片到手機(jī)般大小的芯片，都可運(yùn)用團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)的產(chǎn)品。

據(jù)了解，該高端芯片散熱產(chǎn)品可應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、5G基站、新能源汽車(chē)等行業(yè)，團(tuán)隊(duì)已為華為公司、合肥圣達(dá)電子等多家龍頭企業(yè)提供產(chǎn)品安裝試用，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿(mǎn)足使用要求，目前多家企業(yè)向團(tuán)隊(duì)成員拋來(lái)合作生產(chǎn)的橄欖枝。

“以往芯片的性能與運(yùn)算速度往往受限于芯片的散熱材料，而如今，高導(dǎo)‘芯’材創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的國(guó)產(chǎn)芯片散熱產(chǎn)品，將為大多數(shù)芯片解決散熱的后顧之憂(yōu)，這將有利于中國(guó)高端芯片性能的提升，助力中國(guó)芯片升級(jí)迭代?！焙虾仆毓径麻L(zhǎng)陳柯表示。