超800次实验，湖南“00后”高职学子攻坚芯片散热材料痛点问题
将表面改性的金刚石颗粒装填到金属模具内，再将模具与铜一并置于真空气压浸渗炉中，将炉内抽成真空后加热至1千摄氏度左右，再将熔化的铜液浇注到复合坯料中……从粉料装填到出炉，历经约5个小时后，一炉散热性能极佳的金刚石/铜复合产品顺利制备完成。
这是湖南工业职业技术学院《高导“芯”材——开启芯片散热新时代》学生创新创业团队改进制作工艺自主研发出来的高导热金刚石/铜散热产品。在不久前举行的第九届湖南省“互联网+”大学生创新创业比赛中，该团队获得职教赛道创意组一等奖。
据介绍，上述散热产品的问世，对打破国外技术封锁，推动我国高功率芯片封装技术的进步，为我国第三代半导体芯片应用体系升级换代提供了有力的基础材料支撑。
“00后”学子自建团队，攻坚中国芯片散热材料痛点问题
“芯片的设计制造被称为‘人类工业皇冠上的明珠’，是电子信息产业的核心基础和关键技术之一，是国家科技实力和国际竞争力的重要体现。我们每天使用的电子产品，比如手机、电脑等，这些产品的运行都离不开芯片，它是电子产品的灵魂。随着第三代半导体芯片技术快速发展，芯片高集成化、小型化方向发展趋势明显，对芯片的散热性要求越来越高。而市场上流传的芯片热管理材料生产技术被国外垄断，无法进行大规模的生产与应用。”2021年，湖南工业职业技术学院焊接专业学生阳展望从《工程材料与热处理》课堂上了解到了中国芯片散热材料“卡脖子”现状后，萌发了自主研发国产芯片散热材料的念头，他找到学校材料科学与工程专业老师肖静博士担任指导老师，同时着手组建团队。
“芯片散热产品的开发涉及多个领域多个学科，我们团队成员来自焊接自动化、工业互联网等不同专业。”阳展望介绍，当初团队招募成员的信息一发出，便有许多人报名，最终挑选了15名学生加入其中。
2021年10月，在湖南工业职院7509教室，高导“芯”材创新创业团队正式成立，当时他们仅拥有一个工序的设备，启动资金大多为自筹。如今，该团队拥有核心技术相关专利8项，项目负责人以第一发明人身份申报专利3项，团队成员近三年累计获得全国先进成图大赛一等奖等国家级、省级奖项40余项，组织创新创业和科普活动44场次。
“当前人工智能、物联网技术迅猛发展，我们‘00后’青年满怀对祖国的热爱，立志走技能成才、技能报国之路，不断改进和创新技术，打破技术垄断，为我国芯片‘卡脖子’领域贡献青春力量。”阳展望表示。
800次实验+千度高温，工匠精神砥砺前行
“这个钨粉旋转的速度快了，金刚石还有两个面没镀上钨。”
“这个面，钨粉镀得不均匀。”
……
在位于长沙望城的加工中心，阳展望与队员陈月芬研究经常金刚石表面改性的问题，一站就是3个小时，他们的目标是借助自己研发的金刚石表面改性装置，将50-100微米大小的金刚石的12个面均匀地镀上钨粉，从而减少界面热阻，使金刚石与铜更好的结合。
“金刚石/铜复合材料被誉为最具有潜力的新一代热管理材料。然而金刚石是自然界中天然存在的最坚硬的物质，如何将它与铜复合，降低界面热阻，是我们在研发过程中面临的最大难题。同时，用什么样的方法降低生产成本，解决产品难加工问题也是团队想要攻克的难题。”肖静老师介绍，经过走访调研50余家企业，查阅上千篇文献资料后，高导“芯”材创新创业团队最终将研究目标锁定为金刚石/铜复合材料。
现在该团队生产出金刚石/铜复合材料需要三道核心工艺，而当时团队只有1道工序设备，他们与湖南某公司开展合作，利用该公司的设备，去完成其他两道生产程序。为此，该团队成员经常是学校公司两地跑，既要完成产品设计的“脑力活”，也要干手提重物的“体力活”，在生产出金刚石/铜复合材料时，他们经常提着10斤重的坩埚爬上4m高的炉子顶部，打开重约100斤的炉盖，将金刚石、铜锭和坩锅一起放置在炉中，炉子运作起来里面的温度高达千度，炉外温度接近40℃，大家身上厚厚的工装都可以拧出汗水来，脸蛋经常被热得通红。
“推倒重来反复尝试，我们已经开展了800余次实验了，机器一开，我们就要守上3个多小时，记录不同温度、压强参数下金刚石/铜复合材料的生产状况，经常错过吃饭的时间。”陈月芬表示，团队以工匠精神为引领，精益求精地研发产品。
经过金刚石表面改性工艺创新、真空气压浸渗设备创新及模具数字化设计与制造工艺创新，该团队成功将金刚石/铜复合材料的热导率由700W/m•K提升至890W/m•K，产品表面的粗糙度从1.6微米降低到了≤0.8微米，相当于五十分之一头发丝直径的大小。
5小时制备，助力国产散热材料助力芯片升级迭代
“以往企业生产一炉金刚石/铜复合材料产品需要9.5个小时，如今我们可以控制在5小时每炉，高端芯片散热产品生产周期缩短了58%，每炉节省165度电，能耗降低30%。同时，金刚石/铜复合材料产品的设备成本由300万降低至190万。”肖静表示，团队解决了金刚石/铜产品加工精度与效率难兼顾的难题，产品精度可控制在±0.01微米，使金刚石/铜复合材料大规模生产由理想变成了现实。
“芯片在运作过程中会产生大量热量，如果不及时散热会降低芯片使用寿命和可靠性。芯片温度在 70℃以上时，每升高1℃，可靠性降低5%，温升50℃时的芯片寿命只有25℃时的1/6。我们生产的金刚石/铜复合材料的热导率高，热膨胀系数与芯片十分匹配，能够为芯片及时散热。”阳展望表示，从指甲壳般大小的芯片到手机般大小的芯片，都可运用团队生产的产品。
据了解，该高端芯片散热产品可应用于数据中心、5G基站、新能源汽车等行业，团队已为华为公司、合肥圣达电子等多家龙头企业提供产品安装试用，各项性能指标满足使用要求，目前多家企业向团队成员抛来合作生产的橄榄枝。
“以往芯片的性能与运算速度往往受限于芯片的散热材料，而如今，高导‘芯’材创新创业团队开发的国产芯片散热产品，将为大多数芯片解决散热的后顾之忧，这将有利于中国高端芯片性能的提升，助力中国芯片升级迭代。”湖南浩威特公司董事长陈柯表示。
通讯员张晨莲 潇湘晨报记者李楠
