將表面改性的金剛石顆粒裝填到金屬模具內，再將模具與銅一并置于真空氣壓浸滲爐中，將爐內抽成真空后加熱至1000度左右，再將熔化的銅液澆注到復合坯料中……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‘芯’材——開(kāi)啟芯片散熱新時(shí)代”學(xué)生創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)團隊改進(jìn)制作工藝自主研發(fā)出來(lái)的高導熱金剛石/銅散熱產(chǎn)品。該技術(shù)產(chǎn)品的問(wèn)世，對于打破國外技術(shù)封鎖，推動(dòng)我國高功率芯片封裝技術(shù)的進(jìn)步，為我國第三代半導體芯片應用體系升級換代提供了有力的基礎材料支撐。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(diǎn)問(wèn)題

“芯片的設計制造被稱(chēng)為‘人類(lèi)工業(yè)皇冠上的明珠’，是電子信息產(chǎn)業(yè)的核心基礎和關(guān)鍵技術(shù)之一，是國家科技實(shí)力和國際競爭力的重要體現。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(kāi)芯片，它是電子產(chǎn)品的靈魂。隨著(zhù)第三代半導體芯片技術(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(lái)越高。而市場(chǎng)上的芯片熱管理材料生產(chǎn)技術(shù)被國外壟斷，無(wú)法進(jìn)行大規模的生產(chǎn)與應用?！?021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”課堂上了解到中國芯片散熱材料“卡脖子”現狀后，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(zhuān)業(yè)教師肖靜博士擔任指導老師，并著(zhù)手組建團隊。

“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，我們團隊成員來(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“芯”材創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)團隊正式成立，當時(shí)他們僅擁有一個(gè)工序的設備，啟動(dòng)資金大多為自籌。如今，該團隊擁有核心技術(shù)相關(guān)專(zhuān)利8項，項目負責人以第一發(fā)明人身份申報專(zhuān)利3項，團隊成員近3年累計獲得全國先進(jìn)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(dòng)44場(chǎng)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(mǎn)懷對祖國的熱愛(ài)，立志走技能成才、技能報國之路，不斷改進(jìn)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?yáng)展望表示。

800次實(shí)驗 千度高溫 工匠精神砥礪前行

“這個(gè)鎢粉旋轉的速度快了，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合。

“金剛石/銅復合材料被譽(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硬的物質(zhì)，如何將它與銅復合，降低界面熱阻，是我們在研發(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)題也是團隊想要攻克的難題?！毙れo介紹，經(jīng)過(guò)走訪(fǎng)調研50余家企業(yè)，查閱了上千篇文獻資料后，高導“芯”材創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)團隊最終將研究目標鎖定為金剛石/銅復合材料。

現在該團隊生產(chǎn)出金剛石/銅復合材料需要三道核心工藝，而當時(shí)團隊只有1道工序設備，他們與湖南浩威特公司開(kāi)展合作，利用該公司的設備，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/銅復合材料時(shí)，他們經(jīng)常提著(zhù)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，爐子運作起來(lái)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(lái)。

“推倒重來(lái)反復嘗試，我們已經(jīng)開(kāi)展了800余次實(shí)驗，機器一開(kāi)，我們就要守上3個(gè)多小時(shí)，記錄不同溫度、壓強參數下金剛石/銅復合材料的生產(chǎn)狀況，經(jīng)常錯過(guò)吃飯的時(shí)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(guò)金剛石表面改性工藝創(chuàng )新、真空氣壓浸滲設備創(chuàng )新及模具數字化設計與制造工藝創(chuàng )新，該團隊成功將金剛石/銅復合材料的熱導率由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(shí)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%，每爐節省165度電，能耗降低30%。同時(shí)，金剛石/銅復合材料產(chǎn)品的設備成本由300萬(wàn)元降低至190萬(wàn)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/銅復合材料大規模生產(chǎn)由理想變成了現實(shí)。

“芯片在運作過(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/銅復合材料熱導率高，熱膨脹系數與芯片十分匹配，能夠為芯片及時(shí)散熱?！标?yáng)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。

據了解，該高端芯片散熱產(chǎn)品可應用于數據中心、5G基站、新能源汽車(chē)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(mǎn)足使用要求，目前多家企業(yè)向團隊成員拋來(lái)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‘芯’材創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)團隊開(kāi)發(fā)的國產(chǎn)芯片散熱產(chǎn)品，將為大多數芯片解決散熱的后顧之憂(yōu)，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(cháng)陳柯表示。