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       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，歷經約5個小時，一爐散熱性能極佳的金剛石/銅復合產品順利制備完成。

       這是湖南工業(yè)職業(yè)技術學院“高導‘芯’材——開啟芯片散熱新時代”學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊改進制作工藝自主研發(fā)出來的高導熱金剛石/銅散熱產品。該技術產品的問世，對于打破國外技術封鎖，推動我國高功率芯片封裝技術的進步，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+”大學生創(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

       “芯片的設計制造被稱為‘人類工業(yè)皇冠上的明珠’，是電子信息產業(yè)的核心基礎和關鍵技術之一，是國家科技實力和國際競爭力的重要體現。我們每天使用的電子產品，比如手機、電腦等，這些產品的運行都離不開芯片，它是電子產品的靈魂。隨著第三代半導體芯片技術快速發(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技術被國外壟斷，無法進行大規(guī)模的生產與應用。”2021年，湖南工業(yè)職業(yè)技術學院焊接專業(yè)學生陽展望從“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”現狀后，便萌發(fā)了自主研發(fā)國產芯片散熱材料的念頭，他找到學校材料科學與工程專業(yè)教師肖靜博士擔任指導老師，并著手組建團隊。

       “芯片散熱產品的開發(fā)涉及多個領域多個學科，我們團隊成員來自焊接自動化、工業(yè)互聯(lián)網等不同專業(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名學生加入其中。

       2021年10月，在湖南工業(yè)職業(yè)技術學院7509教室，高導“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備，啟動資金大多為自籌。如今，該團隊擁有核心技術相關專利8項，項目負責人以第一發(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)網技術迅猛發(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，打破技術壟斷，為我國芯片‘卡脖子’領域貢獻青春力量。”陽展望表示。

       800次實驗 千度高溫 工匠精神砥礪前行

       “這個鎢粉旋轉的速度快了，金剛石還有兩個面沒鍍上鎢。”“這個面，鎢粉鍍得不均勻。”……在望城的加工中心，陽展望與隊員陳月芬研究經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合。

       “金剛石/銅復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，如何將它與銅復合，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成本，解決產品難加工問題也是團隊想要攻克的難題。”肖靜介紹，經過走訪調研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。

       現在該團隊生產出金剛石/銅復合材料需要三道核心工藝，而當時團隊只有1道工序設備，他們與湖南浩威特公司開展合作，利用該公司的設備，去完成其他兩道生產程序。記者了解到，該團隊成員經常是學校公司兩地跑，既要完成產品設計的“腦力活”，也要干手提重物的“體力活”，在生產出金剛石/銅復合材料時，他們經常提著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。

       “推倒重來反復嘗試，我們已經開展了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、壓強參數下金剛石/銅復合材料的生產狀況，經常錯過吃飯的時間。”陳月芬表示，團隊以工匠精神為引領，精益求精地研發(fā)產品。

       經過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 國產散熱材料助力芯片升級迭代

       “以往企業(yè)生產一爐金剛石/銅復合材料產品需要9.5個小時，如今我們可以控制在5小時/爐，高端芯片散熱產品生產周期縮短了58%，每爐節(jié)省165度電，能耗降低30%。同時，金剛石/銅復合材料產品的設備成本由300萬元降低至190萬元。”肖靜表示，團隊解決了金剛石/銅產品加工精度與效率難以兼顧的難題，產品精度可控制在±0.01微米，使金剛石/銅復合材料大規(guī)模生產由理想變成了現實。

       “芯片在運作過程中會產生大量熱量，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，都可運用團隊生產的產品。

       據了解，該高端芯片散熱產品可應用于數據中心、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)團隊開發(fā)的國產芯片散熱產品，將為大多數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。”湖南浩威特公司董事長陳柯表示。