超硬材料網(wǎng)

       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1200攝氏度左右，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個小時后，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，對于推動我國高功率芯片封裝技術(shù)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有力的基礎(chǔ)材料支撐。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，該團隊獲職教賽道創(chuàng)意組一等獎。

       學(xué)生自建團隊，攻堅中國芯片散熱材料

       “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。而市場上流傳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。”2021年，湖南工業(yè)職院焊接專業(yè)學(xué)生陽展望從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。

       課后，他找到學(xué)校材料科學(xué)與工程專業(yè)老師肖靜博士擔(dān)任指導(dǎo)老師，并著手組建團隊，最終通過招募挑選了15名學(xué)生加入其中。

       2021年10月，高導(dǎo)“芯”材創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊正式成立。當(dāng)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年累計獲得全國大學(xué)生先進成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新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。

       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。”“這個面，鎢粉鍍得不均勻。”……在長沙市望城區(qū)的加工中心，陽展望與隊員陳月芬研究金剛石表面改性的問題，經(jīng)常一站就是3個小時。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—400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，用什么樣的方法降低生產(chǎn)成本，都是擺在團隊面前的難題。”肖靜老師介紹，經(jīng)過走訪調(diào)研50余家企業(yè)，查閱上千篇文獻資料后，團隊最終決定要“啃”下這塊硬骨頭。

       團隊選擇與湖南浩威特科技發(fā)展有限公司開展合作，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”，又要干手提重物的“體力活”。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上千攝氏度，爐外溫度接近40攝氏度，大家厚厚的工裝都可以擰出汗水，臉蛋也被“烤”得通紅。

       “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。”陳月芬說。

       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，該團隊已成功將金剛石/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微米降低到了小于0.8微米。

       5小時每爐批量生產(chǎn)，助力中國芯片升級迭代

       “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，算下來每爐節(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。”肖靜表示，團隊解決了金剛石/銅產(chǎn)品加工精度與效率難兼顧的難題，產(chǎn)品精度可控制在±0.01毫米，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。我們生產(chǎn)的金剛石/銅復(fù)合材料的熱導(dǎo)率高，熱膨脹系數(shù)與芯片十分匹配，能夠為大多數(shù)芯片解決散熱難題。”陽展望介紹，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。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。

       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)品試用，各項性能指標(biāo)滿足使用要求。目前，已有多家企業(yè)向團隊成員拋來合作生產(chǎn)的橄欖枝。