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個小時，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——開啟芯片散熱新時代”學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊改進制作工藝自主研發(fā)出來的高導(dǎo)熱金剛石/銅散熱產(chǎn)品。該技術(shù)產(chǎn)品的問世，對于打破國外技術(shù)封鎖，推動我國高功率芯片封裝技術(shù)的進步，為我國第三代半導(dǎo)體芯片應(yīng)用體系升級換代提供了有力的基礎(chǔ)材料支撐。該團隊在第九屆湖南省“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。

00后青年自建團隊，攻堅中國芯片散熱材料痛點問題

“芯片的設(shè)計制造被稱為‘人類工業(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，是國家科技實力和國際競爭力的重要體現(xiàn)。我們每天使用的電子產(chǎn)品，比如手機、電腦等，這些產(chǎn)品的運行都離不開芯片，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)展趨勢明顯，對芯片的散熱性要求越來越高。而市場上的芯片熱管理材料生產(chǎn)技術(shù)被國外壟斷，無法進行大規(guī)模的生產(chǎn)與應(yīng)用?！?021年，湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院焊接專業(yè)學(xué)生陽展望從“工程材料與熱處理”課堂上了解到中國芯片散熱材料“卡脖子”現(xiàn)狀后，便萌發(fā)了自主研發(fā)國產(chǎn)芯片散熱材料的念頭，他找到學(xué)校材料科學(xué)與工程專業(yè)教師肖靜博士擔(dān)任指導(dǎo)老師，并著手組建團隊。

“芯片散熱產(chǎn)品的開發(fā)涉及多個領(lǐng)域多個學(xué)科，我們團隊成員來自焊接自動化、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等不同專業(yè)。”陽展望介紹，當初團隊招募成員的信息一發(fā)出，便有許多人報名，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)團隊正式成立，當時他們僅擁有一個工序的設(shè)備，啟動資金大多為自籌。如今，該團隊擁有核心技術(shù)相關(guān)專利8項，項目負責(zé)人以第一發(fā)明人身份申報專利3項，團隊成員近3年累計獲得全國先進成圖大賽一等獎等國家級、省級獎項40余項，組織創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和科普活動44場次。

“當前人工智能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展，我們00后青年滿懷對祖國的熱愛，立志走技能成才、技能報國之路，不斷改進和創(chuàng)新技術(shù)，打破技術(shù)壟斷，為我國芯片‘卡脖子’領(lǐng)域貢獻青春力量?！标栒雇硎?。

800次實驗 千度高溫 工匠精神砥礪前行

“這個鎢粉旋轉(zhuǎn)的速度快了，金剛石還有兩個面沒鍍上鎢?！薄斑@個面，鎢粉鍍得不均勻?！薄谕堑募庸ぶ行?#xff0c;陽展望與隊員陳月芬研究經(jīng)常金剛石表面改性的問題，一站就是3個小時，他們的目標是借助自己研發(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硬的物質(zhì)，如何將它與銅復(fù)合，降低界面熱阻，是我們在研發(fā)過程中面臨的最大難題。同時，用什么樣的方法降低生產(chǎn)成本，解決產(chǎn)品難加工問題也是團隊想要攻克的難題?！毙れo介紹，經(jīng)過走訪調(diào)研50余家企業(yè)，查閱了上千篇文獻資料后，高導(dǎo)“芯”材創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊最終將研究目標鎖定為金剛石/銅復(fù)合材料。

現(xiàn)在該團隊生產(chǎn)出金剛石/銅復(fù)合材料需要三道核心工藝，而當時團隊只有1道工序設(shè)備，他們與湖南浩威特公司開展合作，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，該團隊成員經(jīng)常是學(xué)校公司兩地跑，既要完成產(chǎn)品設(shè)計的“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，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，爐子運作起來里面的溫度高達千度，爐外溫度接近40℃，大家厚厚的工裝都可以擰出汗水來。

“推倒重來反復(fù)嘗試，我們已經(jīng)開展了800余次實驗，機器一開，我們就要守上3個多小時，記錄不同溫度、壓強參數(shù)下金剛石/銅復(fù)合材料的生產(chǎn)狀況，經(jīng)常錯過吃飯的時間?！标愒路冶硎?#xff0c;團隊以工匠精神為引領(lǐng)，精益求精地研發(fā)產(chǎn)品。

經(jīng)過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)計與制造工藝創(chuàng)新，該團隊成功將金剛石/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，相當于1/50頭發(fā)絲直徑的大小。

5小時每爐 批量生產(chǎn) 國產(chǎn)散熱材料助力芯片升級迭代

“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個小時，如今我們可以控制在5小時/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，金剛石/銅復(fù)合材料產(chǎn)品的設(shè)備成本由300萬元降低至190萬元?！毙れo表示，團隊解決了金剛石/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。

“芯片在運作過程中會產(chǎn)生大量熱量，如果不及時散熱會降低芯片使用壽命和可靠性。芯片溫度在70℃以上時，每升高1℃，可靠性降低5%，溫升50℃時的芯片壽命只有25℃時的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，能夠為芯片及時散熱。”陽展望表示，從指甲殼般大小的芯片到手機般大小的芯片，都可運用團隊生產(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、新能源汽車等行業(yè)，團隊已為華為公司、合肥圣達電子等多家龍頭企業(yè)提供產(chǎn)品安裝試用，各項性能指標滿足使用要求，目前多家企業(yè)向團隊成員拋來合作生產(chǎn)的橄欖枝。

“以往芯片的性能與運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)團隊開發(fā)的國產(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，這將有利于中國高端芯片性能的提升，助力中國芯片升級迭代?！焙虾仆毓径麻L陳柯表示。