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(gè)小時(shí)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(tuán)隊(duì)改進(jìn)制作工藝自主研發(fā)出來(lái)的高導(dǎo)熱金剛石/銅散熱產(chǎn)品。該技術(shù)產(chǎn)品的問(wèn)世，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)高功率芯片封裝技術(shù)進(jìn)步，為我國(guó)第三代半導(dǎo)體芯片應(yīng)用體系升級(jí)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(tuán)隊(duì)獲職教賽道創(chuàng)意組一等獎(jiǎng)。

       學(xué)生自建團(tuán)隊(duì)，攻堅(jiān)中國(guó)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(shì)明顯，對(duì)芯片的散熱性要求越來(lái)越高。而市場(chǎng)上流傳的芯片熱管理材料生產(chǎn)技術(shù)被國(guó)外壟斷，無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)與應(yīng)用?！?021年，湖南工業(yè)職院焊接專業(yè)學(xué)生陽(yáng)展望從課堂上了解到中國(guó)芯片散熱材料“卡脖子”現(xiàn)狀后，便萌發(fā)了自主研發(fā)國(guó)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(tuán)隊(duì)，最終通過(guò)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(tuán)隊(duì)正式成立。當(dāng)時(shí)，他們僅擁有一個(gè)工序的設(shè)備，啟動(dòng)資金大多為自籌。如今，該團(tuán)隊(duì)擁有核心技術(shù)相關(guān)專利8項(xiàng)，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人以第一發(fā)明人身份申報(bào)專利3項(xiàng)，團(tuán)隊(duì)成員近3年累計(jì)獲得全國(guó)大學(xué)生先進(jìn)成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽一等獎(jiǎng)等國(guó)家級(jí)、省級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)40余項(xiàng)，組織創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和科普活動(dòng)44場(chǎng)次。

       800次實(shí)驗(yàn)千度高溫，工匠精神砥礪前行

       “這個(gè)鎢粉旋轉(zhuǎn)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陂L(zhǎng)沙市望城區(qū)的加工中心，陽(yáng)展望與隊(duì)員陳月芬研究金剛石表面改性的問(wèn)題，經(jīng)常一站就是3個(gè)小時(shí)。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(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(jié)合。

       “金剛石/銅復(fù)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(jiān)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(tuán)隊(duì)面前的難題?！毙れo老師介紹，經(jīng)過(guò)走訪調(diào)研50余家企業(yè)，查閱上千篇文獻(xiàn)資料后，團(tuán)隊(duì)最終決定要“啃”下這塊硬骨頭。

       團(tuán)隊(duì)選擇與湖南浩威特科技發(fā)展有限公司開(kāi)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(jì)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(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(yùn)作起來(lái)里面的溫度高達(dá)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(lái)反復(fù)嘗試，我們已經(jīng)開(kāi)展了800余次實(shí)驗(yàn)，機(jī)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(qiáng)參數(shù)下金剛石/銅復(fù)合材料的生產(chǎn)狀況，經(jīng)常錯(cuò)過(guò)吃飯的時(shí)間?！标愒路艺f(shuō)。

       經(jīng)過(guò)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(jì)與制造工藝創(chuàng)新，該團(tuán)隊(duì)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(shí)每爐批量生產(chǎn)，助力中國(guó)芯片升級(jí)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(gè)小時(shí)，如今我們可以控制在5小時(shí)/爐，算下來(lái)每爐節(jié)省165度電，能耗降低30%。同時(shí)，金剛石/銅復(fù)合材料產(chǎn)品的設(shè)備成本由300萬(wàn)元降低至190萬(wàn)元。”肖靜表示，團(tuán)隊(duì)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(shí)。

       “芯片在運(yùn)作過(guò)程中會(huì)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?yàn)榇蠖鄶?shù)芯片解決散熱難題?！标?yáng)展望介紹，從指甲殼般大小的芯片到手機(jī)般大小的芯片，都可運(yùn)用團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)的產(chǎn)品。這將有利于中國(guó)高端芯片性能的提升，助力中國(guó)芯片升級(jí)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(tuán)隊(duì)已為華為公司、合肥圣達(dá)電子等多家龍頭企業(yè)提供產(chǎn)品試用，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足使用要求。目前，已有多家企業(yè)向團(tuán)隊(duì)成員拋來(lái)合作生產(chǎn)的橄欖枝。