eng
Выпуск #5/2022
А. Колядин, В. Лучинин, Ю. Ягудаев, О. Бохов, С. Ильин, И. Клепиков, А. Ножкина
ПОТЕНЦИАЛ ОТЕЧЕСТВЕННОГО АЛМАЗА. ТЕПЛООТВОДЫ
ПОТЕНЦИАЛ ОТЕЧЕСТВЕННОГО АЛМАЗА. ТЕПЛООТВОДЫ
Просмотры: 960
DOI: 10.22184/1992-4178.2022.216.5.50.61
Рассмотрены современное состояние и конструктивные особенности теплоотводов как одного из критических факторов электроники и фотоники с экстремальными режимами и условиями эксплуатации. Представлены результаты анализа мирового и российского рынка производителей синтетических алмазов для теплоотводов. На основе анализа публикационной и патентной активности оценены инновационность и потенциал развития алмазных теплоотводов.
Рассмотрены современное состояние и конструктивные особенности теплоотводов как одного из критических факторов электроники и фотоники с экстремальными режимами и условиями эксплуатации. Представлены результаты анализа мирового и российского рынка производителей синтетических алмазов для теплоотводов. На основе анализа публикационной и патентной активности оценены инновационность и потенциал развития алмазных теплоотводов.
Теги: diamond heat sink electronic components extreme modes and operating conditions heat sink innovativeness market synthetic diamond алмазный теплоотвод инновационность рынок синтетический алмаз теплоотвод экстремальные режимы и условия эксплуатации электронная компонентная база
Потенциал отечественного алмаза. Теплоотводы
А. Колядин, к. т. н.1, В. Лучинин, д. т. н.2, Ю. Ягудаев, к. э. н.3, О. Бохов, к. т. н.4, С. Ильин, к. т. н.5, И. Клепиков, к. г.-м. н.6, А. Ножкина, д. т. н.7
В статье рассмотрены современное состояние и конструктивные особенности теплоотводов как одного из критических факторов электроники и фотоники с экстремальными режимами и условиями эксплуатации. Представлены результаты анализа мирового и российского рынка производителей синтетических алмазов для теплоотводов. На основе анализа публикационной и патентной активности оценены инновационность и потенциал развития алмазных теплоотводов.
Введение
Введенные глобальные ограничения на поставку в РФ ключевой электронной компонентной базы (ЭКБ) информационной, сверхвысокочастотной и силовой электроники, а также санкции и запреты на доступ к зарубежным технологиям, оборудованию и материалам могут критически сказаться на создании отечественной продукции военного, специального и гражданского назначения, определяющей безопасность и технологический суверенитет государства.
Особое место при создании радиоэлектронных, инфокоммуникационных и энергообеспечивающих систем занимают конструкторско-технологические решения в области гетерогенной интеграции компонентов в функциональные модули, поскольку базовые технические характеристики изделий определяются не только используемой ЭКБ, но и архитектурными решениями композиций, то есть процессами сборки [1]. Особое место в архитектурных композициях гетерогенно-интегрированных электронных функциональных модулей занимает теплоотводящий компонент, определяющий тепловой «комфорт» прибора. Устанавливается необходимый для обеспечения функциональных характеристик изделия тепловой баланс между генерируемым в процессе работы теплом и его диссипацией – отдачей, определяющей температуру активной зоны преобразующего элемента. Таким образом, материал теплоотвода и его архитектурная компоновка в изделии совместно с преобразующим элементом во многом определяют функциональные характеристики изделия в отношении мощностных, импульсных, частотных параметров и условий эксплуатации.
Учитывая ранее отмеченные негативные для России изменения мирового электронного рынка, целью данной статьи является сравнение отечественных и зарубежных электронных технологий в отношении алмазных теплоотводов как одного из критических факторов электроники с экстремальными режимами и условиями эксплуатации [2].
Алмаз как инновационный базовый материал выбран не случайно. Обладая совокупностью уникальных теплофизических, электрофизических, механических и оптических свойств (табл. 1), проявляющихся в возможности достижения рекордных характеристик не только в рамках его технического использования в качестве базиса в теплоотводящих конструкциях [3, 4, 5], но и в широкой номенклатуре изделий микро- и нанотехники [6].
Данный материал становится научно-индустриальным и конструкторско-технологическим приоритетом, определяющим превосходство в изделиях нового поколения (табл. 2) [6].
Отечественный потенциал алмазной индустрии находится на высоком уровне, и представленный в данной статье сравнительный анализ использования синтетического алмаза при решении востребованной, но достаточно простой задачи создания алмазных теплоотводов указывает на наличие в России уникальных компетенций, которые могут быть использованы в рамках опережающего импортозамещения на рынке ЭКБ для экстремальных режимов и условий эксплуатации.
Теплоотвод как конструктивный элемент с критической энергодиссипирующей функцией
Функциональные назначения и конструкторско-технологические решения современных теплоотводов (табл. 3) [7] могут быть определены как:
Детализируя функциональные особенности электронной аппаратуры, на которые будет непосредственно влиять теплоотвод, выделим:
Комплекс тепловых и сопутствующих им контролирующих и исполнительных процессов и эффектов, используемых в современных теплоотводах (табл. 4), включает:
Для реализации рассмотренных выше особенностей теплоотводов, особенно классических и ряда перспективных направлений, безусловно, может послужить алмаз, поскольку он обладает совокупностью рекордных физических свойств, которые принципиальны для данных конструкций (табл. 5).
Алмазные теплоотводы позволяют обеспечивать потребности различных электронных устройств [8, 9, 10, 11], что во многом определяется именно экстремальным сочетанием свойств (механических, электрических и тепловых) этого материала.
Рынок синтетических алмазов
для теплоотводов
Экономическая целесообразность алмазных теплоотводов определяется в первую очередь геометрическими параметрами монокристаллических и поликристаллических алмазных пластин. В составе больших электронных устройств алмазные теплоотводы малой площади применимы для отдельных компактных и субкомпактных электронных чипов и модулей, алмазные теплоотводы большой площади – для совокупности нескольких компактных и субкомпактных устройств. Существующее сегодня соотношение цены и качества алмазных теплоотводов определяет практический интерес также к алмазным композитным теплоотводам (теплоотводам из алмазных композитных материалов).
Ведущие мировые и российские производители алмазных теплоотводов представлены в табл. 6 (в алфавитном порядке).
Распределение ведущих мировых производителей по странам (США – 25,0%; Китай – 25,0%; Япония – 18,8%; Великобритания – 12,5%; Россия – 6,3%; Германия – 6,3%; Индия – 6,3%) отражает потребности рынков производства и сбыта электронной продукции стран, обладающих высоким технологическим потенциалом. В сочетании с ограниченным кругом ведущих игроков такое географическое распределение характеризует узкоспециализированный рынок высокотехнологичной продукции с высоким финансово-технологическим порогом входа.
Характеристические особенности продукции мировых и российских производителей алмазных теплоотводов представлены в табл. 7.
Распределение по технологии производства отражает превалирующий интерес к производству поликристаллических алмазных CVD-теплоотводов. Компетенции производства монокристаллических алмазных HTPT-теплоотводов освоены в большей степени российскими производителями, монокристаллических алмазных CVD-теплоотводов – на международном рынке.
Распределение по функциональному назначению характеризует рынок как сегментированный по разновидностям продукта в соответствии со сферами применения, имеющий выраженный акцент на производство теплоотводов. При этом большинство производителей на международном и российском рынках характеризуются развитой номенклатурой и насыщенностью производственного портфеля.
Важным аспектом применительно к теплоотводам, в структуру которых могут быть интегрированы сервисные (например, сенсорные и управляющие температурными режимами) устройства, является легирование алмазных пластин. Если алмазные пластины высокой степени химической чистоты и совершенства кристаллографической структуры представлены в продукции всех ведущих производителей, то легированные алмазные пластины (включая как легирование всей пластины, так и отдельных ее областей) предлагают менее половины компаний. Недостижение этим показателем медианного уровня и отсутствие предлагаемых коммерческих решений характеризуют рынок как ненасыщенный и имеющий разрыв между потенциальным спросом и возможностью адекватного предложения.
Для эффективного развития и обеспечения эффективной конкуренции алмазных и алмазных композитных теплоотводов с альтернативными решениями критичны геометрические размеры и толщина производимых алмазных пластин. Существующая в настоящее время типология алмазных и алмазных композитных теплоотводов может быть представлена следующим образом:
Освоенные геометрические параметры производимых алмазных пластин характеризуют в большей степени существующий уровень требований рынка электронной продукции. Этот факт подтверждает и распределение по разновидностям теплоотводов, которое характеризует наличие диверсификации рынка и внутренней конкуренции продуктовых портфелей производителей исходя из соотношения цены и качества различных линеек продукции сходного функционального назначения. Сложившиеся распределения характеризуют рынок как ненасыщенный, имеющий потенциал расширения в разрезе конечных коммерческих решений теплоотводов, но при этом ориентированный как на производство стандартной номенклатуры, так и на индивидуальное производство под заказ.
Существенным является факт наличия разрыва между перспективными потребностями в 2,5D- и 3D-теплоотводах и тем, что в настоящее время производители ориентированы преимущественно на 1D- и 2D-теплоотводы.
Таким образом, анализ показывает, что в настоящее время алмазные и алмазные композитные теплоотводы рассматриваются как решение, актуальность которого обусловлена необходимостью перераспределения мощных тепловых потоков электронных и фотонных устройств в наиболее неблагоприятных условиях, когда теплоотводы из альтернативных материалов не обеспечивают требуемые рабочие характеристики и надежность эксплуатации. В открытом сегменте рынка алмазных теплоотводов превалируют 2D-теплоотводы, в то время как 2,5D-, 3D-теплоотводы, а также теплоотводы, в которые интегрирован расширенный функционал, обеспечивающие комплексное решение проблемы (а в ряде случаев – позволяющие упростить конструктивное решение отдельных электронных модулей и устройств), практически отсутствуют. Это касается как алмазных теплоотводов, так и теплоотводов на основе конкурентных материалов с наиболее высокими характеристиками.
Анализ инновационного потенциала алмазных теплоотводов.
Публикации и патенты
Обратимся к результатам анализа актуальных мировых и российских научных исследований, включавшего:
анализ научных публикаций в базе Scopus и семантический анализ (по ключевым словам «алмазный терморегулятор», «алмазный теплорассеиватель» и «алмазный теплоотвод»);
анализ патентов в базе Espacenet (по ключевым словам «алмазный теплоотвод»).
Распределение научных публикаций и патентов по странам представлено в табл. 8.
Анализ научных публикаций за последние 10 лет указывает на устойчиво воспроизводимый интерес к этой тематике, причем количественное распределение публикаций характеризует, скорее, нишевый характер этой области исследований.
Как и в отношении мирового рынка, в сфере научных исследований алмазных и алмазных композитных теплоотводов доминирующие позиции принадлежат США и Китаю; в китайских исследованиях в большей степени превалирует прикладная направленность. Вместе с тем по объему и географии участия европейские исследования представлены шире, нежели европейские производители (в особенности для ключевых слов «алмазный теплоотвод»), что характеризует рост актуальности этой тематики для развития европейского рынка производства электроники.
Относительно невысокая доля публикаций российских исследований может не в полной мере отражать реальный объем и значимость исследований российских ученых в этой области, поскольку имеют место определенные (в том числе финансовые) сложности публикации результатов российских исследований в международных изданиях, входящих в 1‑й и 2‑й квантили.
Патентный анализ за последние 12 лет также показывает устойчивый практический интерес к этой тематике. Количественное распределение патентов характеризует, скорее, нишевый характер этой области, временнóе распределение демонстрирует устойчивый рост количества патентов в 2020–2021 годах (11,0% в 2020 году и 28,8% в 2021 году от общего количества патентов за указанный период).
Доля российских патентов заметно выше, нежели доля российских публикаций, однако стоит отметить тот факт, что российские патенты содержат преимущественно решения для мощных силовых и СВЧ-устройств, что отвечает возможностям российских производителей и направленности российских производств.
Распределение публикаций по предметным областям (табл. 9) показывает наличие в равной степени теоретических исследований и прикладных разработок. Приоритетная тематика для всех предметных областей – «тепловой режим электронных компонентов и (или) устройств».
Анализ матрицы взаимосвязанных с ключевыми словами понятий показывает, что наиболее явно выраженная положительная динамика имеет место для следующих понятий: «микроканал», «теплопроводность», «наноалмазный теплоотвод», «транзисторы с высокой подвижностью электронов», «алмазные пленки», «композит», что характеризует опережающий запрос на более сложные и функционально насыщенные решения алмазных и алмазных композитных теплоотводов.
Выделенные в результате анализа характеристические особенности запатентованных алмазных и алмазных композитных теплоотводов представлены в табл. 10.
Соотношение патентов по материалам демонстрирует сопоставимо устойчивый интерес как к обеим разновидностям алмазных теплоотводов, так и к минимизации их стоимости без ущерба для работоспособности электронных устройств.
Соотношение патентов по целевому назначению иллюстрирует, что существующие функциональные характеристики алмазных и алмазных композитных теплоотводов в настоящее время обеспечивают их интеграцию в электронные приборы, модули и устройства, обладающие архитектурой различной степени сложности.
Сказанное выше подтверждает распределение патентов по разновидностям алмазных и алмазных композитных теплоотводов. При этом 1D-теплоотводы (в большей степени функционирующие как теплораспределители) рассматриваются преимущественно для рабочих подложек полупроводниковых устройств, а у 2D-теплоотводов (в том числе волоконных и гибких) как традиционных универсальных решений имеет место активная конкуренция с 2,5D- и 3D-теплоотводами.
Дополнить анализ научных публикаций позволил семантический анализ – метод обработки информации, в котором наиболее часто встречающиеся в научных публикациях ключевые слова или словосочетания систематизируются и взаимоувязываются по частоте повторов.
Совокупность результатов анализа научных публикаций, семантического анализа и патентного анализа выявили значимые на временнóм горизонте рассмотрения ключевые тренды инновационного развития алмазных и алмазных композитных теплоотводов:
Указанные тренды наглядно иллюстрируют научные разработки и запатентованные решения (табл. 11), появившиеся преимущественно в течение последних нескольких лет.
Результаты представленного выше анализа позволяют определить инновационный потенциал развития алмазных теплоотводов следующим образом:
Заключение
Анализ современного состояния и инновационного потенциала развития алмазных и алмазных композитных теплоотводов позволяет заключить следующее:
Имеющийся в России научно-инженерный, индустриальный и образовательный потенциалы, а также сформировавшиеся компетенции, международное признание и превосходство в области синтеза крупных монокристаллов искусственных алмазов достаточно высокого структурного совершенства позволяют сформировать российскую инновационную технологическую нишу в области инженерии алмаза с широким и длительным горизонтом конкурентоспособной экономически эффективной реализации [12, 13]. Алмазная продукция, исходя из совокупности рекордных базовых функциональных возможностей материала, создает предпосылки к альтернативному, с элементами отечественного превосходства, выполнению программ импортозамещения и импортонезависимости, открывая возможность обеспечения технологического суверенитета при решении задач в оборонно-промышленном, атомно-энергетическом и ракетно-космическом комплексах, а также в гражданском секторе.
Работа выполнена в рамках проекта Минпромторга России № 020-11-2021-1439 «Разработка технологии и оборудования синтеза алмазов для электроники в широком ассортименте».
Литература
Афанасьев А. В., Бохов О. С., Ильин В. А., Лучинин В. В. Технология синтеринга в силовой и импульсной электронике на основе карбида кремния // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2022. № 2 (00213). С. 98–105.
Лучинин В. В. Национальные технологические приоритеты. Алмазная экстремальная электроника // НАНОИНДУСТРИЯ. 2018. Т. 11. № 2. С. 156–169.
Ланин В. Л., Телеш Е. В. Алмазные теплоотводы для изделий электроники повышенной мощности // Силовая электроника. 2008. № 3. С. 120–124.
Maltsev P. P., Redkin S. V., Glinskiy I. A., Poboikina N. V., Duknovskiy M. P., Fedorov Yu. Yu., Smirnova A. K., Kulikov E. N., Shcherbakov S. V., Leontiev I. A., Kudryashov O. Yu., Skripnichenko A. S. Heatsink diamond nanostructures for microwave semiconductor electronics // Nanotechnologies in Russia. 2016. Vol. 11. № 7–8. PP. 480–490.
Рогалин В. Е., Крымский М. И., Крымский К. М. О некоторых применениях алмазов в силовой оптике и электронике // Радиотехника и электроника. 2018. Т. 63. № 11. С. 1188–1196.
Лучинин В. В., Колядин А. В., Машинский К. А. Алмазная индустрия – российский инновационный вызов //
Инновации. 2020. № 4 (258). С. 3–9.
Официальный сайт A.L.M.T Corp. https://www.allied-material.co.jp/en/products/heatspreader.html.
Вяхирев В. Б., Духновский М. П., Ратникова А. К., Федоров Ю. Ю. Изолирующие теплоотводы на основе CVD-алмаза для силовой электроники // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. 2009. Вып. 3 (502) С. 36–40.
Мелешкевич П. М., Вашин С. А., Духновский М. П., Куликов Е. Н. О возможности применения пластин CVD-алмаза в качестве конструктивных элементов в приборах СВЧ // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. 2020. Вып. 3 (546). С. 91–100.
Мартинович В. А., Хорунжий И. А., Русецкий М. С., Казючиц Н. М. Исследование алмазного теплоотвода со встроенным датчиком температуры // Физико-математические науки: тезисы докладов 78‑й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов (с международным участием). Минск: БГТУ. 2014. С. 22–24.
Ратникова А. К. Теплоотводящие подложки на основе поликристаллического CVD-алмаза // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. 2011. Вып. 3 (510). С. 76–86.
Вихарев А. Л., Лучинин В. В. CVD алмаз – материал для нового поколения электронных приборов. Выращивание, характеристики и некоторые применения // Электроника и микроэлектроника СВЧ. 2015. Т. 1. С. 29–33.
Muchnikov A. B., Vikharev A. L., Radishev D. B., Isaev V. A., Ivanov О. А., Gorbachev A. M. A wafer of combined single-crystalline and polycrystalline CVD diamond // Materials Letters. 2015. Vol. 139. PP. 1–3.
А. Колядин, к. т. н.1, В. Лучинин, д. т. н.2, Ю. Ягудаев, к. э. н.3, О. Бохов, к. т. н.4, С. Ильин, к. т. н.5, И. Клепиков, к. г.-м. н.6, А. Ножкина, д. т. н.7
В статье рассмотрены современное состояние и конструктивные особенности теплоотводов как одного из критических факторов электроники и фотоники с экстремальными режимами и условиями эксплуатации. Представлены результаты анализа мирового и российского рынка производителей синтетических алмазов для теплоотводов. На основе анализа публикационной и патентной активности оценены инновационность и потенциал развития алмазных теплоотводов.
Введение
Введенные глобальные ограничения на поставку в РФ ключевой электронной компонентной базы (ЭКБ) информационной, сверхвысокочастотной и силовой электроники, а также санкции и запреты на доступ к зарубежным технологиям, оборудованию и материалам могут критически сказаться на создании отечественной продукции военного, специального и гражданского назначения, определяющей безопасность и технологический суверенитет государства.
Особое место при создании радиоэлектронных, инфокоммуникационных и энергообеспечивающих систем занимают конструкторско-технологические решения в области гетерогенной интеграции компонентов в функциональные модули, поскольку базовые технические характеристики изделий определяются не только используемой ЭКБ, но и архитектурными решениями композиций, то есть процессами сборки [1]. Особое место в архитектурных композициях гетерогенно-интегрированных электронных функциональных модулей занимает теплоотводящий компонент, определяющий тепловой «комфорт» прибора. Устанавливается необходимый для обеспечения функциональных характеристик изделия тепловой баланс между генерируемым в процессе работы теплом и его диссипацией – отдачей, определяющей температуру активной зоны преобразующего элемента. Таким образом, материал теплоотвода и его архитектурная компоновка в изделии совместно с преобразующим элементом во многом определяют функциональные характеристики изделия в отношении мощностных, импульсных, частотных параметров и условий эксплуатации.
Учитывая ранее отмеченные негативные для России изменения мирового электронного рынка, целью данной статьи является сравнение отечественных и зарубежных электронных технологий в отношении алмазных теплоотводов как одного из критических факторов электроники с экстремальными режимами и условиями эксплуатации [2].
Алмаз как инновационный базовый материал выбран не случайно. Обладая совокупностью уникальных теплофизических, электрофизических, механических и оптических свойств (табл. 1), проявляющихся в возможности достижения рекордных характеристик не только в рамках его технического использования в качестве базиса в теплоотводящих конструкциях [3, 4, 5], но и в широкой номенклатуре изделий микро- и нанотехники [6].
Данный материал становится научно-индустриальным и конструкторско-технологическим приоритетом, определяющим превосходство в изделиях нового поколения (табл. 2) [6].
Отечественный потенциал алмазной индустрии находится на высоком уровне, и представленный в данной статье сравнительный анализ использования синтетического алмаза при решении востребованной, но достаточно простой задачи создания алмазных теплоотводов указывает на наличие в России уникальных компетенций, которые могут быть использованы в рамках опережающего импортозамещения на рынке ЭКБ для экстремальных режимов и условий эксплуатации.
Теплоотвод как конструктивный элемент с критической энергодиссипирующей функцией
Функциональные назначения и конструкторско-технологические решения современных теплоотводов (табл. 3) [7] могут быть определены как:
- обеспечение перспективной ЭКБ с экстремальным энерговыделением системами диссипации тепла и стабилизации температурных режимов работы на основе современных композиций материалов и процессов сборки с минимизацией массогабаритных показателей;
- обеспечение надежности и долговечности аппаратуры с экстремальными режимами и условиями эксплуатации с минимизацией процессов деградации и нестабильности функциональных параметров;
- создание гибридных теплоотводящих конструкций нового поколения, сочетающих теплодиссипирующие, термоэлектропреобразующие и сенсорно-информационные свойства.
Детализируя функциональные особенности электронной аппаратуры, на которые будет непосредственно влиять теплоотвод, выделим:
- миниатюризацию, то есть повышение плотности тепловыделяющих элементов в сборке, использование бескорпусной элементной базы и уменьшение массогабаритных показателей;
- генерацию, коммутацию, преобразование большей мощности, то есть расширение диапазона достигаемых выходных параметров за счет повышения эффективности теплоотдачи;
- стабилизацию функциональных параметров, минимизацию тепловых шумов за счет снижения температур работы устройства;
- достижение высоких температур эксплуатации за счет повышения эффективности теплоотдачи от рабочей зоны компонентов;
- механическую устойчивость конструкции за счет использования материалов с низкими коэффициентами линейного расширения;
- радиационную устойчивость конструкций за счет сочетания теплоотводящих, электроизоляционных и механических свойств конструктивных материалов;
- обеспечение электрической стабильности и низких диэлектрических потерь теплоотводящей среды за счет использования материалов с уникальными электрофизическими свойствами.
Комплекс тепловых и сопутствующих им контролирующих и исполнительных процессов и эффектов, используемых в современных теплоотводах (табл. 4), включает:
- рассеяние – диссипацию тепла (газ, жидкость, металл);
- конструктивное обеспечение однородности теплового поля – «выравнивание» температуры;
- тепловую и конструктивную компенсацию термомеханических напряжений;
- тепловую генерацию электрических токов (эффект Зеебека);
- термоохлаждение электрическим током (эффект Пельтье);
- сенсорику температурного поля.
Для реализации рассмотренных выше особенностей теплоотводов, особенно классических и ряда перспективных направлений, безусловно, может послужить алмаз, поскольку он обладает совокупностью рекордных физических свойств, которые принципиальны для данных конструкций (табл. 5).
Алмазные теплоотводы позволяют обеспечивать потребности различных электронных устройств [8, 9, 10, 11], что во многом определяется именно экстремальным сочетанием свойств (механических, электрических и тепловых) этого материала.
Рынок синтетических алмазов
для теплоотводов
Экономическая целесообразность алмазных теплоотводов определяется в первую очередь геометрическими параметрами монокристаллических и поликристаллических алмазных пластин. В составе больших электронных устройств алмазные теплоотводы малой площади применимы для отдельных компактных и субкомпактных электронных чипов и модулей, алмазные теплоотводы большой площади – для совокупности нескольких компактных и субкомпактных устройств. Существующее сегодня соотношение цены и качества алмазных теплоотводов определяет практический интерес также к алмазным композитным теплоотводам (теплоотводам из алмазных композитных материалов).
Ведущие мировые и российские производители алмазных теплоотводов представлены в табл. 6 (в алфавитном порядке).
Распределение ведущих мировых производителей по странам (США – 25,0%; Китай – 25,0%; Япония – 18,8%; Великобритания – 12,5%; Россия – 6,3%; Германия – 6,3%; Индия – 6,3%) отражает потребности рынков производства и сбыта электронной продукции стран, обладающих высоким технологическим потенциалом. В сочетании с ограниченным кругом ведущих игроков такое географическое распределение характеризует узкоспециализированный рынок высокотехнологичной продукции с высоким финансово-технологическим порогом входа.
Характеристические особенности продукции мировых и российских производителей алмазных теплоотводов представлены в табл. 7.
Распределение по технологии производства отражает превалирующий интерес к производству поликристаллических алмазных CVD-теплоотводов. Компетенции производства монокристаллических алмазных HTPT-теплоотводов освоены в большей степени российскими производителями, монокристаллических алмазных CVD-теплоотводов – на международном рынке.
Распределение по функциональному назначению характеризует рынок как сегментированный по разновидностям продукта в соответствии со сферами применения, имеющий выраженный акцент на производство теплоотводов. При этом большинство производителей на международном и российском рынках характеризуются развитой номенклатурой и насыщенностью производственного портфеля.
Важным аспектом применительно к теплоотводам, в структуру которых могут быть интегрированы сервисные (например, сенсорные и управляющие температурными режимами) устройства, является легирование алмазных пластин. Если алмазные пластины высокой степени химической чистоты и совершенства кристаллографической структуры представлены в продукции всех ведущих производителей, то легированные алмазные пластины (включая как легирование всей пластины, так и отдельных ее областей) предлагают менее половины компаний. Недостижение этим показателем медианного уровня и отсутствие предлагаемых коммерческих решений характеризуют рынок как ненасыщенный и имеющий разрыв между потенциальным спросом и возможностью адекватного предложения.
Для эффективного развития и обеспечения эффективной конкуренции алмазных и алмазных композитных теплоотводов с альтернативными решениями критичны геометрические размеры и толщина производимых алмазных пластин. Существующая в настоящее время типология алмазных и алмазных композитных теплоотводов может быть представлена следующим образом:
- 1D – алмазные пленочные покрытия теплоотводов;
- 2D – теплоотводы-пластины и (или) подложки;
- 2,5D – микроканальные теплоотводы;
- 3D-теплоотводы.
Освоенные геометрические параметры производимых алмазных пластин характеризуют в большей степени существующий уровень требований рынка электронной продукции. Этот факт подтверждает и распределение по разновидностям теплоотводов, которое характеризует наличие диверсификации рынка и внутренней конкуренции продуктовых портфелей производителей исходя из соотношения цены и качества различных линеек продукции сходного функционального назначения. Сложившиеся распределения характеризуют рынок как ненасыщенный, имеющий потенциал расширения в разрезе конечных коммерческих решений теплоотводов, но при этом ориентированный как на производство стандартной номенклатуры, так и на индивидуальное производство под заказ.
Существенным является факт наличия разрыва между перспективными потребностями в 2,5D- и 3D-теплоотводах и тем, что в настоящее время производители ориентированы преимущественно на 1D- и 2D-теплоотводы.
Таким образом, анализ показывает, что в настоящее время алмазные и алмазные композитные теплоотводы рассматриваются как решение, актуальность которого обусловлена необходимостью перераспределения мощных тепловых потоков электронных и фотонных устройств в наиболее неблагоприятных условиях, когда теплоотводы из альтернативных материалов не обеспечивают требуемые рабочие характеристики и надежность эксплуатации. В открытом сегменте рынка алмазных теплоотводов превалируют 2D-теплоотводы, в то время как 2,5D-, 3D-теплоотводы, а также теплоотводы, в которые интегрирован расширенный функционал, обеспечивающие комплексное решение проблемы (а в ряде случаев – позволяющие упростить конструктивное решение отдельных электронных модулей и устройств), практически отсутствуют. Это касается как алмазных теплоотводов, так и теплоотводов на основе конкурентных материалов с наиболее высокими характеристиками.
Анализ инновационного потенциала алмазных теплоотводов.
Публикации и патенты
Обратимся к результатам анализа актуальных мировых и российских научных исследований, включавшего:
анализ научных публикаций в базе Scopus и семантический анализ (по ключевым словам «алмазный терморегулятор», «алмазный теплорассеиватель» и «алмазный теплоотвод»);
анализ патентов в базе Espacenet (по ключевым словам «алмазный теплоотвод»).
Распределение научных публикаций и патентов по странам представлено в табл. 8.
Анализ научных публикаций за последние 10 лет указывает на устойчиво воспроизводимый интерес к этой тематике, причем количественное распределение публикаций характеризует, скорее, нишевый характер этой области исследований.
Как и в отношении мирового рынка, в сфере научных исследований алмазных и алмазных композитных теплоотводов доминирующие позиции принадлежат США и Китаю; в китайских исследованиях в большей степени превалирует прикладная направленность. Вместе с тем по объему и географии участия европейские исследования представлены шире, нежели европейские производители (в особенности для ключевых слов «алмазный теплоотвод»), что характеризует рост актуальности этой тематики для развития европейского рынка производства электроники.
Относительно невысокая доля публикаций российских исследований может не в полной мере отражать реальный объем и значимость исследований российских ученых в этой области, поскольку имеют место определенные (в том числе финансовые) сложности публикации результатов российских исследований в международных изданиях, входящих в 1‑й и 2‑й квантили.
Патентный анализ за последние 12 лет также показывает устойчивый практический интерес к этой тематике. Количественное распределение патентов характеризует, скорее, нишевый характер этой области, временнóе распределение демонстрирует устойчивый рост количества патентов в 2020–2021 годах (11,0% в 2020 году и 28,8% в 2021 году от общего количества патентов за указанный период).
Доля российских патентов заметно выше, нежели доля российских публикаций, однако стоит отметить тот факт, что российские патенты содержат преимущественно решения для мощных силовых и СВЧ-устройств, что отвечает возможностям российских производителей и направленности российских производств.
Распределение публикаций по предметным областям (табл. 9) показывает наличие в равной степени теоретических исследований и прикладных разработок. Приоритетная тематика для всех предметных областей – «тепловой режим электронных компонентов и (или) устройств».
Анализ матрицы взаимосвязанных с ключевыми словами понятий показывает, что наиболее явно выраженная положительная динамика имеет место для следующих понятий: «микроканал», «теплопроводность», «наноалмазный теплоотвод», «транзисторы с высокой подвижностью электронов», «алмазные пленки», «композит», что характеризует опережающий запрос на более сложные и функционально насыщенные решения алмазных и алмазных композитных теплоотводов.
Выделенные в результате анализа характеристические особенности запатентованных алмазных и алмазных композитных теплоотводов представлены в табл. 10.
Соотношение патентов по материалам демонстрирует сопоставимо устойчивый интерес как к обеим разновидностям алмазных теплоотводов, так и к минимизации их стоимости без ущерба для работоспособности электронных устройств.
Соотношение патентов по целевому назначению иллюстрирует, что существующие функциональные характеристики алмазных и алмазных композитных теплоотводов в настоящее время обеспечивают их интеграцию в электронные приборы, модули и устройства, обладающие архитектурой различной степени сложности.
Сказанное выше подтверждает распределение патентов по разновидностям алмазных и алмазных композитных теплоотводов. При этом 1D-теплоотводы (в большей степени функционирующие как теплораспределители) рассматриваются преимущественно для рабочих подложек полупроводниковых устройств, а у 2D-теплоотводов (в том числе волоконных и гибких) как традиционных универсальных решений имеет место активная конкуренция с 2,5D- и 3D-теплоотводами.
Дополнить анализ научных публикаций позволил семантический анализ – метод обработки информации, в котором наиболее часто встречающиеся в научных публикациях ключевые слова или словосочетания систематизируются и взаимоувязываются по частоте повторов.
Совокупность результатов анализа научных публикаций, семантического анализа и патентного анализа выявили значимые на временнóм горизонте рассмотрения ключевые тренды инновационного развития алмазных и алмазных композитных теплоотводов:
- целевые электронные устройства: «транзистор с высокой подвижностью электронов», «лазер»;
- технические характеристики: «эффективная теплопроводность», «теплоотводы высокой мощности»;
- конструктивные решения: «микроканальный теплоотвод», «наножидкости», «алмазные покрытия»;
- материалы: «CVD-алмаз», «алмазные пленки», «алмазно-медный композит», «алмазно-алюминиевый композит», «матричные композиты», «металломатричные композиты».
Указанные тренды наглядно иллюстрируют научные разработки и запатентованные решения (табл. 11), появившиеся преимущественно в течение последних нескольких лет.
Результаты представленного выше анализа позволяют определить инновационный потенциал развития алмазных теплоотводов следующим образом:
- производство алмазных CVD-пластин, сопоставимых по площади с промышленными подложками из кремния или сапфира для коммерческого производства полупроводниковых микрочипов групповыми методами;
- разработка и производство композитных алмазных материалов и теплоотводов на их основе;
- разработка и производство 2,5D- и 3D-алмазных и алмазных композитных теплоотводов для всех уровней архитектуры (подложки, микрочипы, модули, устройства) экстремальной электроники;
- разработка и создание «интеллектуальных» алмазных и алмазных композитных теплоотводов, обладающих сенсорными, управляющими и преобразующими функциями в составе устройств экстремальной электроники.
Заключение
Анализ современного состояния и инновационного потенциала развития алмазных и алмазных композитных теплоотводов позволяет заключить следующее:
- ожидаемый спрос на алмазные и алмазные композитные теплоотводы для электронных устройств всех уровней архитектуры представляет собой окно возможностей для развития и устойчивого функционирования рынка;
- рынок производителей (как международный, так и российский) алмазных и алмазных композитных теплоотводов находится в стадии активного формирования и подъема;
- ассортимент выпускаемых на мировом и российском рынках алмазных и алмазных композитных теплоотводов в настоящее время не в полной мере отвечает потребностям развития электроники;
- перспективные разработки теплоотводящих конструкций (табл. 11) в требуемой степени коммерчески не реализованы.
Имеющийся в России научно-инженерный, индустриальный и образовательный потенциалы, а также сформировавшиеся компетенции, международное признание и превосходство в области синтеза крупных монокристаллов искусственных алмазов достаточно высокого структурного совершенства позволяют сформировать российскую инновационную технологическую нишу в области инженерии алмаза с широким и длительным горизонтом конкурентоспособной экономически эффективной реализации [12, 13]. Алмазная продукция, исходя из совокупности рекордных базовых функциональных возможностей материала, создает предпосылки к альтернативному, с элементами отечественного превосходства, выполнению программ импортозамещения и импортонезависимости, открывая возможность обеспечения технологического суверенитета при решении задач в оборонно-промышленном, атомно-энергетическом и ракетно-космическом комплексах, а также в гражданском секторе.
Работа выполнена в рамках проекта Минпромторга России № 020-11-2021-1439 «Разработка технологии и оборудования синтеза алмазов для электроники в широком ассортименте».
Литература
Афанасьев А. В., Бохов О. С., Ильин В. А., Лучинин В. В. Технология синтеринга в силовой и импульсной электронике на основе карбида кремния // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2022. № 2 (00213). С. 98–105.
Лучинин В. В. Национальные технологические приоритеты. Алмазная экстремальная электроника // НАНОИНДУСТРИЯ. 2018. Т. 11. № 2. С. 156–169.
Ланин В. Л., Телеш Е. В. Алмазные теплоотводы для изделий электроники повышенной мощности // Силовая электроника. 2008. № 3. С. 120–124.
Maltsev P. P., Redkin S. V., Glinskiy I. A., Poboikina N. V., Duknovskiy M. P., Fedorov Yu. Yu., Smirnova A. K., Kulikov E. N., Shcherbakov S. V., Leontiev I. A., Kudryashov O. Yu., Skripnichenko A. S. Heatsink diamond nanostructures for microwave semiconductor electronics // Nanotechnologies in Russia. 2016. Vol. 11. № 7–8. PP. 480–490.
Рогалин В. Е., Крымский М. И., Крымский К. М. О некоторых применениях алмазов в силовой оптике и электронике // Радиотехника и электроника. 2018. Т. 63. № 11. С. 1188–1196.
Лучинин В. В., Колядин А. В., Машинский К. А. Алмазная индустрия – российский инновационный вызов //
Инновации. 2020. № 4 (258). С. 3–9.
Официальный сайт A.L.M.T Corp. https://www.allied-material.co.jp/en/products/heatspreader.html.
Вяхирев В. Б., Духновский М. П., Ратникова А. К., Федоров Ю. Ю. Изолирующие теплоотводы на основе CVD-алмаза для силовой электроники // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. 2009. Вып. 3 (502) С. 36–40.
Мелешкевич П. М., Вашин С. А., Духновский М. П., Куликов Е. Н. О возможности применения пластин CVD-алмаза в качестве конструктивных элементов в приборах СВЧ // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. 2020. Вып. 3 (546). С. 91–100.
Мартинович В. А., Хорунжий И. А., Русецкий М. С., Казючиц Н. М. Исследование алмазного теплоотвода со встроенным датчиком температуры // Физико-математические науки: тезисы докладов 78‑й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов (с международным участием). Минск: БГТУ. 2014. С. 22–24.
Ратникова А. К. Теплоотводящие подложки на основе поликристаллического CVD-алмаза // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. 2011. Вып. 3 (510). С. 76–86.
Вихарев А. Л., Лучинин В. В. CVD алмаз – материал для нового поколения электронных приборов. Выращивание, характеристики и некоторые применения // Электроника и микроэлектроника СВЧ. 2015. Т. 1. С. 29–33.
Muchnikov A. B., Vikharev A. L., Radishev D. B., Isaev V. A., Ivanov О. А., Gorbachev A. M. A wafer of combined single-crystalline and polycrystalline CVD diamond // Materials Letters. 2015. Vol. 139. PP. 1–3.
Отзывы читателей
