Από τη δεκαετία του 1980, η πυκνότητα ολοκλήρωσης των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων αυξάνεται με ετήσιο ρυθμό 1,5 φορές ή και ταχύτερο. Η υψηλότερη ολοκλήρωση οδηγεί σε μεγαλύτερες πυκνότητες ρεύματος και παραγωγή θερμότητας κατά τη λειτουργία.Εάν δεν διαχυθεί αποτελεσματικά, αυτή η θερμότητα μπορεί να προκαλέσει θερμική βλάβη και να μειώσει τη διάρκεια ζωής των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων.
Για την κάλυψη των αυξανόμενων απαιτήσεων θερμικής διαχείρισης, τα προηγμένα ηλεκτρονικά υλικά συσκευασίας με ανώτερη θερμική αγωγιμότητα ερευνώνται και βελτιστοποιούνται εκτενώς.
Σύνθετο υλικό διαμαντιού/χαλκού
01 Διαμάντι και Χαλκός
Τα παραδοσιακά υλικά συσκευασίας περιλαμβάνουν κεραμικά, πλαστικά, μέταλλα και τα κράματά τους. Κεραμικά όπως το BeO2 και το AlN παρουσιάζουν CTE που ταιριάζουν με τους ημιαγωγούς, καλή χημική σταθερότητα και μέτρια θερμική αγωγιμότητα. Ωστόσο, η πολύπλοκη επεξεργασία τους, το υψηλό κόστος (ιδιαίτερα το τοξικό BeO2) και η ευθραυστότητά τους περιορίζουν τις εφαρμογές. Οι πλαστικές συσκευασίες προσφέρουν χαμηλό κόστος, ελαφρύ βάρος και μόνωση, αλλά υποφέρουν από κακή θερμική αγωγιμότητα και αστάθεια σε υψηλές θερμοκρασίες. Τα καθαρά μέταλλα (Cu, Ag, Al) έχουν υψηλή θερμική αγωγιμότητα αλλά υπερβολικό CTE, ενώ τα κράματα (Cu-W, Cu-Mo) μειώνουν τη θερμική απόδοση. Έτσι, χρειάζονται επειγόντως νέα υλικά συσκευασίας που να εξισορροπούν την υψηλή θερμική αγωγιμότητα και τον βέλτιστο CTE.
| Ενίσχυση | Θερμική αγωγιμότητα (W/(m·K)) | Συντελεστής Θερμοκρασίας Διαστολής (×10⁻⁶/℃) | Πυκνότητα (g/cm³) |
| Διαμάντι | 700–2000 | 0,9–1,7 | 3.52 |
| Σωματίδια BeO | 300 | 4.1 | 3.01 |
| Σωματίδια AlN | 150–250 | 2,69 | 3.26 |
| σωματίδια SiC | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| σωματίδια B₄C | 29–67 | 4.4 | 2.52 |
| Ίνες βορίου | 40 | ~5,0 | 2.6 |
| σωματίδια TiC | 40 | 7.4 | 4,92 |
| Σωματίδια Al₂O₃ | 20–40 | 4.4 | 3,98 |
| μουστάκια SiC | 32 | 3.4 | – |
| Σωματίδια Si₃N₄ | 28 | 1,44 | 3.18 |
| σωματίδια TiB₂ | 25 | 4.6 | 4.5 |
| σωματίδια SiO₂ | 1.4 | <1,0 | 2,65 |
Διαμάντι, το σκληρότερο γνωστό φυσικό υλικό (Mohs 10), διαθέτει επίσης εξαιρετικέςθερμική αγωγιμότητα (200–2200 W/(m·K)).
Μικρο-σκόνη διαμαντιού
Χαλκός, με υψηλή θερμική/ηλεκτρική αγωγιμότητα (401 W/(m·K)), η ολκιμότητα και η οικονομική αποδοτικότητα, χρησιμοποιούνται ευρέως στα ολοκληρωμένα κυκλώματα.
Συνδυάζοντας αυτές τις ιδιότητες,σύνθετα υλικά διαμαντιού/χαλκού (Dia/Cu).—με το Cu ως μήτρα και το διαμάντι ως οπλισμό— αναδύονται ως υλικά θερμικής διαχείρισης επόμενης γενιάς.
02 Βασικές Μέθοδοι Κατασκευής
Οι συνήθεις μέθοδοι για την παρασκευή διαμαντιών/χαλκού περιλαμβάνουν: μεταλλουργία σκόνης, μέθοδο υψηλής θερμοκρασίας και πίεσης, μέθοδο εμβάπτισης σε τήξη, μέθοδο σύντηξης με πλάσμα εκκένωσης, μέθοδο ψεκασμού εν ψυχρώ κ.λπ.
Σύγκριση διαφορετικών μεθόδων παρασκευής, διεργασιών και ιδιοτήτων σύνθετων υλικών διαμαντιού/χαλκού με μέγεθος σωματιδίων
| Παράμετρος | Μεταλλουργία σκόνης | Θερμή συμπίεση κενού | Πυροσυσσωμάτωση με σπινθήρα (SPS) | Υψηλή πίεση και υψηλή θερμοκρασία (HPHT) | Εναπόθεση ψυχρού ψεκασμού | Διήθηση τήγματος |
| Τύπος διαμαντιού | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | PDA | MBD8/HHD |
| Μήτρα | 99,8% σκόνη χαλκού | 99,9% ηλεκτρολυτική σκόνη Cu | 99,9% σκόνη χαλκού | Κράμα/καθαρή σκόνη Cu | Καθαρή σκόνη χαλκού | Καθαρός χαλκός χύδην/ράβδος |
| Τροποποίηση διεπαφής | – | – | – | Β, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Μέγεθος σωματιδίων (μm) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Κλάσμα όγκου (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| Θερμοκρασία (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| Πίεση (MPa) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| Χρόνος (λεπτά) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Σχετική πυκνότητα (%) | 98,5 | 99,2–99,7 | – | – | – | 99,4–99,7 |
| Εκτέλεση | ||||||
| Βέλτιστη Θερμική Αγωγιμότητα (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
Οι κοινές σύνθετες τεχνικές Dia/Cu περιλαμβάνουν:
(1)Μεταλλουργία σκόνης
Οι μικτές σκόνες διαμαντιού/Cu συμπιέζονται και πυροσυσσωματώνονται. Ενώ είναι οικονομικά αποδοτική και απλή, αυτή η μέθοδος αποδίδει περιορισμένη πυκνότητα, ανομοιογενείς μικροδομές και περιορισμένες διαστάσεις δείγματος.
Sμονάδα εσωτερικής διαρρύθμισης
(1)Υψηλή πίεση και υψηλή θερμοκρασία (HPHT)
Χρησιμοποιώντας πρέσες πολλαπλών άκμονων, το τηγμένο Cu διεισδύει σε πλέγματα διαμαντιών υπό ακραίες συνθήκες, παράγοντας πυκνά σύνθετα υλικά. Ωστόσο, η HPHT απαιτεί ακριβά καλούπια και είναι ακατάλληλη για παραγωγή μεγάλης κλίμακας.
Cπανεπιστημιακός τύπος
(1)Διήθηση τήγματος
Το τετηγμένο Cu διαπερνά τα προπλάσματα διαμαντιών μέσω διήθησης με υποβοήθηση πίεσης ή τριχοειδούς ροής. Τα σύνθετα υλικά που προκύπτουν επιτυγχάνουν θερμική αγωγιμότητα >446 W/(m·K).
(2)Πυροσυσσωμάτωση με σπινθήρα (SPS)
Το παλμικό ρεύμα πυροσυσσωμάτωσης μεικτών σκονών υπό πίεση επιταχύνει την ταχεία σύντηξη. Αν και αποτελεσματική, η απόδοση του SPS υποβαθμίζεται σε κλάσματα διαμαντιού >65% κατ' όγκο.
Σχηματικό διάγραμμα του συστήματος πυροσυσσωμάτωσης με πλάσμα εκκένωσης
(5) Εναπόθεση με ψυχρό ψεκασμό
Οι σκόνες επιταχύνονται και εναποτίθενται στα υποστρώματα. Αυτή η νεοσύστατη μέθοδος αντιμετωπίζει προκλήσεις στον έλεγχο της τελικής επεξεργασίας της επιφάνειας και στην επικύρωση της θερμικής απόδοσης.
03 Τροποποίηση διεπαφής
Για την παρασκευή σύνθετων υλικών, η αμοιβαία διαβροχή μεταξύ των συστατικών είναι απαραίτητη προϋπόθεση για τη σύνθετη διαδικασία και ένας σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει τη δομή της διεπαφής και την κατάσταση σύνδεσης της διεπαφής. Η κατάσταση μη διαβροχής στη διεπαφή μεταξύ διαμαντιού και χαλκού οδηγεί σε πολύ υψηλή θερμική αντίσταση της διεπαφής. Επομένως, είναι πολύ σημαντικό να διεξαχθεί έρευνα τροποποίησης της διεπαφής μεταξύ των δύο μέσω διαφόρων τεχνικών μέσων. Προς το παρόν, υπάρχουν κυρίως δύο μέθοδοι για τη βελτίωση του προβλήματος της διεπαφής μεταξύ διαμαντιού και μήτρας χαλκού: (1) Επεξεργασία τροποποίησης επιφάνειας διαμαντιού· (2) Επεξεργασία κράματος της μήτρας χαλκού.
Σχηματικό διάγραμμα τροποποίησης: (α) Άμεση επιμετάλλωση στην επιφάνεια του διαμαντιού· (β) Κράμα μήτρας
(1) Τροποποίηση επιφάνειας διαμαντιού
Η επιμετάλλωση ενεργών στοιχείων όπως Mo, Ti, W και Cr στο επιφανειακό στρώμα της ενισχυτικής φάσης μπορεί να βελτιώσει τα χαρακτηριστικά της διεπιφάνειας του διαμαντιού, ενισχύοντας έτσι τη θερμική του αγωγιμότητα. Η πυροσυσσωμάτωση μπορεί να επιτρέψει στα παραπάνω στοιχεία να αντιδράσουν με τον άνθρακα στην επιφάνεια της σκόνης διαμαντιού για να σχηματίσουν ένα μεταβατικό στρώμα καρβιδίου. Αυτό βελτιστοποιεί την κατάσταση διαβροχής μεταξύ του διαμαντιού και της μεταλλικής βάσης, και η επίστρωση μπορεί να αποτρέψει την αλλαγή της δομής του διαμαντιού σε υψηλές θερμοκρασίες.
(2) Κράμα της μήτρας χαλκού
Πριν από την επεξεργασία σύνθετων υλικών, πραγματοποιείται προ-κραματική επεξεργασία στον μεταλλικό χαλκό, ο οποίος μπορεί να παράγει σύνθετα υλικά με γενικά υψηλή θερμική αγωγιμότητα. Η προσθήκη ενεργών στοιχείων στη μήτρα χαλκού μπορεί όχι μόνο να μειώσει αποτελεσματικά τη γωνία διαβροχής μεταξύ διαμαντιού και χαλκού, αλλά και να δημιουργήσει ένα στρώμα καρβιδίου που είναι στερεό διαλυτό στη μήτρα χαλκού στη διεπαφή διαμαντιού/Cu μετά την αντίδραση. Με αυτόν τον τρόπο, τα περισσότερα από τα κενά που υπάρχουν στη διεπαφή υλικού τροποποιούνται και γεμίζονται, βελτιώνοντας έτσι τη θερμική αγωγιμότητα.
04 Συμπέρασμα
Τα συμβατικά υλικά συσκευασίας δεν επαρκούν για τη διαχείριση της θερμότητας από τα προηγμένα τσιπ. Τα σύνθετα Dia/Cu, με ρυθμιζόμενο συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας (CTE) και εξαιρετικά υψηλή θερμική αγωγιμότητα, αντιπροσωπεύουν μια μετασχηματιστική λύση για τα ηλεκτρονικά επόμενης γενιάς.
Ως επιχείρηση υψηλής τεχνολογίας που ενσωματώνει τη βιομηχανία και το εμπόριο, η XKH επικεντρώνεται στην έρευνα, ανάπτυξη και παραγωγή σύνθετων υλικών διαμαντιού/χαλκού και σύνθετων υλικών μεταλλικής μήτρας υψηλής απόδοσης όπως SiC/Al και Gr/Cu, παρέχοντας καινοτόμες λύσεις θερμικής διαχείρισης με θερμική αγωγιμότητα άνω των 900W/(m·K) για τους τομείς της ηλεκτρονικής συσκευασίας, των μονάδων ισχύος και της αεροδιαστημικής.
XKH«Σύνθετο υλικό από πολυστρωματικό υλικό με επικάλυψη χαλκού με διαμάντια:
Ώρα δημοσίευσης: 12 Μαΐου 2025