Od 80. rokov 20. storočia sa hustota integrácie elektronických obvodov zvyšuje ročným tempom 1,5-násobku alebo rýchlejšie. Vyššia integrácia vedie k vyšším hustotám prúdu a tvorbe tepla počas prevádzky.Ak sa toto teplo efektívne neodvádza, môže spôsobiť tepelné zlyhanie a skrátiť životnosť elektronických súčiastok.
Aby sa splnili rastúce požiadavky na tepelný manažment, rozsiahlo sa skúmajú a optimalizujú pokročilé materiály pre elektronické obaly s vynikajúcou tepelnou vodivosťou.
Kompozitný materiál diamant/meď
01 Diamant a meď
Medzi tradičné obalové materiály patrí keramika, plasty, kovy a ich zliatiny. Keramika ako BeO a AlN vykazuje koeficienty tepelnej rozťažnosti (CTE) zodpovedajúce polovodičom, dobrú chemickú stabilitu a strednú tepelnú vodivosť. Ich zložité spracovanie, vysoké náklady (najmä toxický BeO) a krehkosť však obmedzujú ich použitie. Plastové obaly ponúkajú nízke náklady, nízku hmotnosť a izoláciu, ale trpia zlou tepelnou vodivosťou a nestabilitou pri vysokých teplotách. Čisté kovy (Cu, Ag, Al) majú vysokú tepelnú vodivosť, ale nadmerný CTE, zatiaľ čo zliatiny (Cu-W, Cu-Mo) zhoršujú tepelný výkon. Preto sú naliehavo potrebné nové obalové materiály, ktoré vyvažujú vysokú tepelnú vodivosť a optimálny CTE.
| Výstuž | Tepelná vodivosť (W/(m·K)) | CTE (×10⁻⁶/℃) | Hustota (g/cm³) |
| Diamant | 700 – 2000 | 0,9 – 1,7 | 3,52 |
| Častice BeO | 300 | 4.1 | 3,01 |
| Častice AlN | 150 – 250 | 2,69 | 3.26 |
| Častice SiC | 80 – 200 | 4,0 | 3.21 |
| Častice B₄C | 29 – 67 | 4.4 | 2,52 |
| Bórové vlákno | 40 | ~5,0 | 2.6 |
| Častice TiC | 40 | 7.4 | 4,92 |
| Častice Al₂O₃ | 20 – 40 | 4.4 | 3,98 |
| SiC fúzy | 32 | 3.4 | – |
| Častice Si₃N₄ | 28 | 1,44 | 3.18 |
| Častice TiB₂ | 25 | 4.6 | 4,5 |
| Častice SiO₂ | 1,4 | <1,0 | 2,65 |
Diamant, najtvrdší známy prírodný materiál (Mohs 10), má tiež výnimočnétepelná vodivosť (200 – 2 200 W/(m·K)).
Diamantový mikroprášok
Meď, s vysoká tepelná/elektrická vodivosť (401 W/(m·K)), ťažnosť a nákladová efektívnosť, sa široko používa v integrovaných obvodoch.
Kombináciou týchto vlastností,diamant/meď (Dia/Cu) kompozity– s Cu ako matricou a diamantom ako výstužou – sa objavujú ako materiály novej generácie pre tepelný manažment.
02 Kľúčové metódy výroby
Medzi bežné metódy prípravy diamantu/medi patria: prášková metalurgia, metóda vysokej teploty a vysokého tlaku, metóda ponorenia do taveniny, metóda plazmového spekania, metóda striekania za studena atď.
Porovnanie rôznych metód prípravy, procesov a vlastností diamantovo-medených kompozitov s jednou veľkosťou častíc
| Parameter | Prášková metalurgia | Vákuové lisovanie za tepla | Iskrivo-plazmové spekanie (SPS) | Vysokotlakové a vysokoteplotné (HPHT) | Nanášanie za studena striekaním | Infiltrácia taveniny |
| Typ diamantu | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | PDA | MBD8/HHD |
| Matica | 99,8 % medi v prášku | 99,9 % elektrolytický Cu prášok | 99,9 % medi v prášku | Zliatina/čistý Cu prášok | Čistý meďnatý prášok | Čistá meď vo veľkom/tyčina |
| Modifikácia rozhrania | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Veľkosť častíc (μm) | 100 | 106 – 125 | 100 – 400 | 20 – 200 | 35 – 200 | 50 – 400 |
| Objemový podiel (%) | 20 – 60 | 40 – 60 | 35 – 60 | 60 – 90 | 20 – 40 | 60 – 65 |
| Teplota (°C) | 900 | 800 – 1050 | 880 – 950 | 1100 – 1300 | 350 | 1100 – 1300 |
| Tlak (MPa) | 110 | 70 | 40 – 50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| Čas (min) | 60 | 60 – 180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Relatívna hustota (%) | 98,5 | 99,2 – 99,7 | – | – | – | 99,4 – 99,7 |
| Výkon | ||||||
| Optimálna tepelná vodivosť (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
Bežné dia/Cu kompozitné techniky zahŕňajú:
(1)Prášková metalurgia
Zmiešané diamantové/Cu prášky sa zhutňujú a spekajú. Hoci je táto metóda nákladovo efektívna a jednoduchá, prináša obmedzenú hustotu, nehomogénne mikroštruktúry a obmedzené rozmery vzorky.
Sinterná jednotka
(1)Vysokotlakové a vysokoteplotné (HPHT)
Pomocou viacnákovových lisov roztavená meď infiltruje diamantové mriežky za extrémnych podmienok, čím vytvára husté kompozity. HPHT však vyžaduje drahé formy a nie je vhodná pre veľkovýrobu.
Cubic press
(1)Infiltrácia taveniny
Roztavená meď (Cu) preniká do diamantových predliskov prostredníctvom tlakovo asistovanej alebo kapilárne riadenej infiltrácie. Výsledné kompozity dosahujú tepelnú vodivosť >446 W/(m·K).
(2)Iskrivo-plazmové spekanie (SPS)
Pulzný prúd rýchlo speká zmiešané prášky pod tlakom. Hoci je SPS účinný, jeho výkon sa znižuje pri podiele diamantu > 65 obj. %.
Schematický diagram systému výbojového plazmového spekania
(5) Nanášanie za studena striekaním
Prášky sa urýchľujú a nanášajú na substráty. Táto vznikajúca metóda čelí výzvam v oblasti kontroly povrchovej úpravy a validácie tepelných vlastností.
03 Úprava rozhrania
Pre prípravu kompozitných materiálov je vzájomné zmáčanie medzi zložkami nevyhnutným predpokladom pre kompozitný proces a dôležitým faktorom ovplyvňujúcim štruktúru rozhrania a stav väzby na rozhraní. Nezmáčací stav na rozhraní medzi diamantom a meďou vedie k veľmi vysokému tepelnému odporu rozhrania. Preto je veľmi dôležité vykonávať výskum modifikácie rozhrania medzi nimi pomocou rôznych technických prostriedkov. V súčasnosti existujú hlavne dve metódy na zlepšenie problému rozhrania medzi diamantom a medenou matricou: (1) modifikácia povrchu diamantu; (2) legovanie medenej matrice.
Schéma modifikácie: (a) Priame pokovovanie na povrchu diamantu; (b) Matricové legovanie
(1) Povrchová úprava diamantu
Pokovovanie aktívnych prvkov, ako sú Mo, Ti, W a Cr, na povrchovej vrstve výstužnej fázy môže zlepšiť medzifázové vlastnosti diamantu, a tým zvýšiť jeho tepelnú vodivosť. Spekanie môže umožniť vyššie uvedeným prvkom reagovať s uhlíkom na povrchu diamantového prášku za vzniku karbidovej prechodovej vrstvy. To optimalizuje zmáčací stav medzi diamantom a kovovým základom a povlak môže zabrániť zmene štruktúry diamantu pri vysokých teplotách.
(2) Zliatie medenej matrice
Pred kompozitným spracovaním materiálov sa na kovovej medi vykonáva predlegovacia úprava, ktorá umožňuje výrobu kompozitných materiálov s všeobecne vysokou tepelnou vodivosťou. Dopovanie aktívnych prvkov v medenej matrici môže nielen účinne znížiť uhol zmáčania medzi diamantom a meďou, ale po reakcii tiež vytvoriť karbidovú vrstvu, ktorá je pevne rozpustná v medenej matrici na rozhraní diamant/Cu. Týmto spôsobom sa väčšina medzier existujúcich na rozhraní materiálu upraví a vyplní, čím sa zlepší tepelná vodivosť.
04 Záver
Konvenčné obalové materiály nedokážu odvádzať teplo z pokročilých čipov. Kompozity Dia/Cu s nastaviteľným koeficientom tepelnej rozťažnosti a ultravysokou tepelnou vodivosťou predstavujú transformačné riešenie pre elektroniku novej generácie.
Spoločnosť XKH, ako high-tech podnik integrujúci priemysel a obchod, sa zameriava na výskum, vývoj a výrobu diamantovo-medených kompozitov a vysokovýkonných kompozitov s kovovou matricou, ako sú SiC/Al a Gr/Cu, a poskytuje inovatívne riešenia tepelného manažmentu s tepelnou vodivosťou viac ako 900 W/(m·K) pre oblasti elektronických obalov, výkonových modulov a leteckého priemyslu.
XKH'Kompozitný materiál z laminátu s diamantovým pokovovaním meďou:
Čas uverejnenia: 12. mája 2025