Cobre‑diamante: el salto térmico que los chips estaban esperando

La gestión térmica se ha convertido en el gran cuello de botella de la electrónica avanzada, desde CPU y GPU hasta IA, HPC y dispositivos RF. En este contexto, los compuestos cobre‑diamante y las nanopelículas de diamante están emergiendo como soluciones disruptivas capaces de llevar la disipación de calor a otro nivel en chips y empaquetados de última generación.

Más allá del marketing, hay avances técnicos sólidos: Element Six presentará su material de “diamante de cobre” en Photonics West, grupos de investigación han demostrado compuestos Cu‑diamante con k cercana a 800 W/mK y nuevas membranas ultrafinas de diamante prometen integrarse como capas intermedias térmicas, incluso con adhesión a apenas 80 °C. Todo ello, con cifras y procesos concretos que respaldan su viabilidad real.

Diamante de cobre: qué es, por qué importa y dónde encaja

Element Six (E6), referente en materiales de diamante sintético, ha desarrollado un compuesto que combina diamante con recubrimiento de cobre para lograr elevada conductividad térmica y eléctrica, con foco en su despliegue dentro de la informática. La meta es clara: aliviar el atasco térmico de los chips punteros y ganar rendimiento y fiabilidad en IA, HPC y RF de GaN.

Este material anuncia una conductividad térmica en torno a 800 W/mK, haciéndolo apto para entornos de alta demanda térmica. Además, E6 subraya dos pilares clave para la adopción: escalabilidad industrial y costes más bajos que favorezcan su uso generalizado en sistemas de próxima generación.

La integración potencial no se limita a disipadores externos: E6 plantea formas complejas compatibles con packaging avanzado 2,5/3D, acercando el control térmico al propio nivel del chip. Esto abre la puerta a mejoras directas en rendimiento sostenido al atajar cuellos de botella térmicos que hoy limitan la frecuencia y la estabilidad.

El “diamante de cobre” podría usarse como recubrimiento o como piezas sólidas de pequeño tamaño (estas últimas más costosas), con margen para moldeado, perforado, escalones y curvas. En la práctica, esto facilita su llegada a disipadores de CPU/GPU e incluso a los IHS de Intel y AMD, aportando una interfaz térmica superior con costes asumibles para el sector.

Entre sus ventajas destacadas se enumeran: reducir restricciones térmicas que capan el rendimiento, mejorar la eficiencia de evacuación del calor del conjunto, elevar la fiabilidad y la vida útil, permitir más potencia de salida sin comprometer integridad y mantener desempeño y estructura tras choques térmicos. También es posible ajustar la fracción cobre/diamante para adaptar propiedades a cada aplicación.

Cobre y diamante: el reto de la interfaz y cómo se está resolviendo

El diamante es el material a granel con k isotrópica más alta (~2300 W/mK) y un CTE bajísimo (~1 ppm/K), dos atributos ideales para disipación. Sin embargo, al combinarlo con cobre surgen problemas: enorme desajuste de expansión térmica (orden de magnitud de diferencia) e inmiscibilidad química, lo que produce baja resistencia de unión y tensiones térmicas en la interfaz.

Ese desajuste lleva a agrietamientos interfaciales durante la integración a alta temperatura, reduciendo tanto la integridad mecánica como la conductividad térmica efectiva del compuesto. Sin mitigación, el k del material final puede caer por debajo de 200 W/mK, empeorando incluso al cobre puro, cuando en teoría se buscaba mejorarlo.

La estrategia clásica ha sido “metalizar” la interfaz con capas intermedias (carburos como TiC, ZrC o Cr3C2) para ganar pegajosidad química. Pero estas capas tienen baja conductividad intrínseca (<25 W/mK); si son demasiado gruesas (cientos de nm a micras) añaden gran resistencia térmica, justo lo que se quiere evitar. Por modelo, la conductancia de la interfaz es inversamente proporcional al grosor de esa capa de transición.

La clave, por tanto, es un equilibrio fino: suficiente anclaje químico y al mismo tiempo una resistencia térmica mínima. Un trabajo con sinterizado por plasma de chispa (SPS) propone una vía convincente: recubrimiento ultrafino de titanio (~70 nm) sobre partículas de diamante y sinterización LTHP (baja temperatura, alta presión) para reducir daños por estrés térmico.

El proceso parte con sputtering por magnetrón RF a 500 °C para depositar Ti sobre las facetas del diamante, asegurando recubrimiento uniforme en planos (001) y (111). Se mezcla con cobre (matriz 55% vol. Cu, 45% vol. diamante) usando mezcla húmeda con 10% en peso de alcohol para uniformidad, se elimina el alcohol al vacío (10^-4 Pa) y se densifica con SPS.

Para comparar, se contraponen dos rutas: la habitual HTLP (alta temperatura >900 °C y baja presión ~50 MPa) frente a la innovadora LTHP (600 °C, 300 MPa), manteniendo 10 minutos de sinterizado en ambos casos. Usando moldes de aleación dura en LTHP se soporta la presión alta y se abaratan costes frente a grafito.

El resultado de la estrategia interfaz ultrafina + LTHP es una estructura en capas diamante/TiC/CuTi2/Cu con grosor de transición ~100 nm. Aun siendo tan delgada, la unión alcanzó niveles de enlace covalente, con energía de 3,661 J/m², reduciendo drásticamente el riesgo de fallo interfacial y conservando una baja resistencia térmica de interfaz.

Las simulaciones (MD y ab initio) muestran un excelente acoplamiento fonónico en la interfaz diamante/TiC, con conductancia interfacial G > 800 MW/m²K. Experimentalmente, se informan valores de G ~93,5 MW/m²K, que aun siendo inferiores a lo simulado, validan una transferencia eficaz cuando el apilado y el grosor se optimizan.

En términos de propiedades globales, el compuesto Cu‑diamante preparado con esta estrategia alcanzó k = 763 W/mK y un CTE < 10 ppm/K incluso con una fracción de diamante menor (45% vol.) que la habitual (50–70%). Esto sugiere reducción de costes al disminuir carga de diamante sin penalizar rendimiento térmico.

Nanopelículas de diamante: capas térmicas ultrafinas listas para usarse

Otro frente prometedor viene de las nanopelículas de diamante flexibles usadas como capa intermedia para transferir calor al cobre. El enfoque reduce el espesor a alrededor de una micra, cuando los diseños basados en diamante solían usar láminas de más de 2 mm, difíciles de fijar a otros componentes.

Estas membranas pueden adherirse con calentamiento suave (~80 °C), lo que simplifica la integración tanto sobre componentes discretos como directamente en el “circuito de refrigeración”. El objetivo es maximizar el salto de calor desde el chip hacia interfaces de alta k sin introducir grandes resistencias por la propia capa.

Además de electrónica, los investigadores apuntan a impacto en movilidad eléctrica: se estima que esta tecnología podría multiplicar por cinco la velocidad de carga de vehículos al gestionar mejor picos térmicos en transformadores y electrónica de potencia. Se anunciaron pruebas reales en transformadores de VE y chips de telecomunicaciones hacia finales de 2024.

Industria del diamante térmico: panorama, tendencias y obstáculos

El mercado global de disipadores de calor de diamante habría rondado 270 millones USD en 2023, con potencial para superar los 400 millones en 2025, y China ocupa un papel clave como mayor productor de diamante artificial. Empresas como High Light Intelligence dependen de CVD de alta pureza, centrándose en segmentos de gama alta.

A nivel de competidores y patentes, gigantes internacionales están moviendo ficha; de hecho, se menciona trabajo específico de Nvidia y Huawei en diseños con disipación a nivel de chip. Equipos académicos de HKU y SUSTC han desarrollado membranas flexibles submicrónicas y la Universidad de Xiamen ha propuesto soluciones que reducen la temperatura de unión en GaN, reforzando la hoja de ruta de integración heterogénea 3D.

La expansión de escenarios es amplia: desde electrónica de consumo (patente de Huawei, pruebas en GPU con diamante de Nvidia que podrían triplicar potencia informática) hasta automoción, aeroespacial y computación cuántica. En vehículos, películas de diamante a nanoescala acortan tiempos de carga ~30% al mejorar la disipación en componentes críticos.

Persisten, con todo, tres grandes desafíos: el coste de sustratos de diamante (un wafer de 2” puede costar cien veces más que uno de silicio), el consumo energético de los equipos CVD (alrededor del 60% del coste operativo), y la adaptabilidad del proceso (compatibilidad con equipamiento tradicional). También falta coordinación plena en la cadena de valor del packaging.

En el lado positivo, se liberan dividendos regulatorios y avanza la sustitución nacional, con proyecciones de que en 2025 la cuota de equipos CVD domésticos supere el 40%, empujando una caída del 30% en el coste de los disipadores. La dirección de viaje es clara: más capacidad, precios a la baja y estándares emergentes.

¿Qué supone para PC y servidores? De los disipadores al IHS

Si bien la primera parada de cobre‑diamante y de las membranas de diamante son IA, HPC y RF, el camino hacia el PC de consumo está sobre la mesa. Como recubrimiento, el compuesto podría añadirse a disipadores tope de gama, a modo de interfaz de alto rendimiento sobre cobre niquelado, reduciendo resistencia térmica donde más importa: en el contacto con el IHS.

Más allá, los propios IHS de CPU (ver instalación de CPU) podrían incorporar capas de diamante de cobre con coste marginal para el fabricante, elevando de forma transversal la capacidad de evacuación de calor. La capacidad de producir formas complejas permite adaptarlo a geometrías específicas (perforaciones, escalones, curvaturas), facilitando su integración en diseños existentes.

El salto cualitativo real llega con la integración en el packaging (2,5/3D), llevando la alta k dentro del apilado del chip. Esto se alinea con las tendencias de compute density y chiplets, donde la disipación “cercana a la fuente” marcará la diferencia entre sostener boosts o caer en thermal throttling prematuro.

Por qué la refrigeración actual aprieta: potencias y densidad

La escalada de potencia es innegable: se espera que CPUs como el Core i9‑14900KS alcancen boost de ~6,2 GHz (ver frecuencia de reloj) con consumos reportados de más de 400 W, cifras que obligan a refrigeración líquida de gran formato o setups custom si se pretende sostener rendimiento pico.

En GPU, la serie RTX 40 llegó con disipadores masivos de triple ventilador como respuesta lógica para controlar la temperatura (ver temperaturas recomendadas) y el ruido. Y en nodos avanzados (como SoC a 3 nm), el menor tamaño incrementa la densidad de potencia, elevando el desafío térmico pese a mejoras de eficiencia.

Ante esto, se exploran capas de grafeno y el uso de materiales basados en carbono para aislamiento de transistores de grafeno y MoS2, además de los avances con nanopelículas de diamante como capas intermedias de muy alta k para acelerar la extracción de calor hacia cobre.

Pasta térmica: métricas clave, tipos y ejemplos concretos

La pasta térmica rellena las micro‑imperfecciones entre IHS y base del disipador, por lo que su k es crucial (ver saber cuándo cambiar la pasta térmica). La conductividad se expresa en W/mK: cuanto mayor, más fácil resulta transferir el calor a la superficie del disipador.

Además de k, importan la densidad y la viscosidad. Una pasta demasiado fluida se dispersa de forma irregular y una demasiado viscosa no se extiende bien, dejando vacíos que elevan la resistencia térmica. El patrón de contacto al desmontar el disipador sirve como prueba empírica de su comportamiento.

Tipos de base habituales y apuntes prácticos:

• Carbono: seguras, pero normalmente con rellenos (siliconas/cerámicos) que reducen la proporción efectiva de carbono; la k no suele ser la más alta, aunque son fáciles de usar.
• Cerámicas: muy extendidas, poco conductoras eléctricamente y seguras ante derrames; rendimiento aceptable, salvo excepciones.
• Silicona: veteranas y vigentes; buena “capacitividad” (moldeabilidad), manejo sencillo y desempeño suficiente para la mayoría.
• Diamante: el diamante tiene k ~2200 W/mK, pero en pasta la fracción efectiva es baja; suelen requerir muchos aditivos para extenderse y raramente superan ~20 W/mK reales; caras para lo que aportan.
• Metales y metal líquido: las metálicas clásicas (plata, Al, Cu) llevan décadas con nosotros; el “metal líquido” (aleaciones eutécticas con galio, indio, estaño) ofrece el mejor rendimiento del mercado, pero es conductivo eléctricamente y más difícil de aplicar.

Resultados y modelos destacados citados:

• Thermal Grizzly Conductonaut: k ~73 W/mK; mejora de temperatura frente a TIM de alto rendimiento, pero requiere aplicación precisa por su baja viscosidad y conductividad eléctrica.
• Thermalright Silver King: k ~79 W/mK y densidad ~6,77 g/cm³; también de metal líquido, más densa para mejor manejabilidad, pero extremadamente conductora: hay que evitar derrames.
• ARCTIC MX‑6: ~12,5 W/mK; base de carbono, no conductora, buena viscosidad y fácil de aplicar; opción equilibrada.
• Noctua NT‑H1: ~6 W/mK; no contiene metales, durabilidad hasta 5 años; sólida para CPU estándar.
• Corsair TM30: basada en óxido de zinc, no conductora; buen comportamiento y estabilidad.

Investigación reciente propone una pasta basada en galinstano + nitruro de aluminio, con mejoras de 56–72% sobre metal líquido y sin conductividad eléctrica, gracias a una suspensión coloidal mecanoquímica que dispersa partículas cerámicas en el metal líquido. Inicialmente enfocada a centros de datos (presentada a finales de 2024), su llegada al mercado de consumo podría esperarse más avanzada la década.

Consejo transversal: incluso con pastas de k relativamente modesta, la capa debe ser lo más fina posible, pues su función es eliminar huecos y no añadir un “bloque” intermedio que frene el flujo térmico.

Tipos de disipadores y procesos de fabricación: qué hay y para qué sirve

Por flujo de aire, hay disipadores pasivos (conducción + convección natural) y activos (con ventilador). Los pasivos son silenciosos y fiables; los activos remueven más calor y soportan potencias mayores, a costa de ruido y piezas móviles (ver tipos de refrigeración).

Por material, dominan aluminio y cobre. El Al (aleaciones 6061/6063) es ligero y barato, con k ~200–220 W/mK. El cobre (CDA110 ~391 W/mK) es más denso y caro pero transfiere mejor el calor. Existen otros metales de alta k (plata ~429 W/mK, oro ~315 W/mK), pero su uso es marginal por coste. El diamante, aun con k ~2000–2200 W/mK, no se emplea como sólido en PC por precio y complejidad.

Por tratamiento superficial: los disipadores pintados pueden penalizar si la pintura no conduce bien; los “bañados” (p. ej., núcleo de cobre con baño de oro) suben coste con mejora limitada si el contacto real no beneficia al flujo térmico.

Por diseño: existen bloques macizos con aletas y soluciones con líquido activo (radiador + bomba), así como dispositivos de dos fases (heatpipes/cámaras de vapor) que elevan la “k efectiva” transportando calor por cambio de fase. Estos pueden ser pasivos o activos, según se añada o no ventilador.

Por fabricación:

• CNC: gran libertad geométrica, pero más coste y desperdicio; se logran diseños complejos con aletas optimizadas.
• Forjado / fundición: ideales para grandes volúmenes con coste por pieza contenido; los fundidos suelen requerir aletas más gruesas.
• Zipper fin: aletas delgadas unidas entre sí; bajo peso y alta densidad de aletas, óptimo para alto rendimiento.
• Skived fin: aletas “loncheadas” desde un bloque; excelente propiedad térmica, aletas delgadas y baja inversión en utillaje.
• Bonded fin: aletas fabricadas por separado y unidas/soldadas a la base; útil cuando se necesita mucha capacidad y combinar materiales.
• Extrusión: muy rentable para diseños simples, menor flexibilidad sin operaciones secundarias.

Para CPUs y GPUs de alto TDP, lo más eficaz comercialmente sigue siendo el aire con heatpipes o cámara de vapor (preferiblemente cobre y sin recubrimientos que frenen la k), o directamente refrigeración líquida activa si se busca margen adicional. La llegada de interfaces avanzadas (cobre‑diamante, nanopelículas) como recubrimiento o capa intermedia promete recortar resistencias, acercando el rendimiento real a la curva teórica del disipador. (ver mejores disipadores)

El diamante está ganando terreno en toda la cadena: desde la película de ultra‑alta k en laboratorio hasta el diseño a nivel de chip (casos de Nvidia/Huawei) y los compuestos Cu‑diamante para packaging, con una industria CVD que escala en tamaño y reduce costes. Quien logre equilibrar rendimiento y precio en producción a gran escala tendrá la sartén por el mango en la “guerra del diamante”.