Од 1980-тите, густината на интеграција на електронските кола се зголемува со годишна стапка од 1,5 пати или побрзо. Повисоката интеграција води до поголеми густини на струја и генерирање на топлина за време на работата.Доколку не се дисипира ефикасно, оваа топлина може да предизвика термички дефекти и да го скрати животниот век на електронските компоненти.
За да се задоволат растечките барања за термичко управување, напредните електронски материјали за пакување со супериорна топлинска спроводливост се опширно истражуваат и оптимизираат.
Композитен материјал од дијамант/бакар
01 Дијамант и бакар
Традиционалните материјали за пакување вклучуваат керамика, пластика, метали и нивни легури. Керамиките како BeO и AlN покажуваат CTE што одговараат на полупроводниците, добра хемиска стабилност и умерена топлинска спроводливост. Сепак, нивната комплексна обработка, високата цена (особено токсичниот BeO) и кршливоста ги ограничуваат примените. Пластичното пакување нуди ниска цена, мала тежина и изолација, но страда од слаба топлинска спроводливост и нестабилност на високи температури. Чистите метали (Cu, Ag, Al) имаат висока топлинска спроводливост, но прекумерна CTE, додека легурите (Cu-W, Cu-Mo) ги нарушуваат топлинските перформанси. Затоа, итно се потребни нови материјали за пакување што ја балансираат високата топлинска спроводливост и оптималниот CTE.
| Зајакнување | Топлинска спроводливост (W/(m·K)) | CTE (×10⁻⁶/℃) | Густина (g/cm³) |
| Дијамант | 700–2000 | 0,9–1,7 | 3,52 |
| BeO честички | 300 | 4.1 | 3.01 |
| AlN честички | 150–250 | 2,69 | 3.26 |
| SiC честички | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| честички B₄C | 29–67 | 4.4 | 2,52 |
| Борови влакна | 40 | ~5,0 | 2.6 |
| TiC честички | 40 | 7.4 | 4,92 |
| Al₂O₃ честички | 20–40 | 4.4 | 3,98 |
| SiC мустаќи | 32 | 3.4 | – |
| Si₃N₄ честички | 28 | 1,44 | 3.18 |
| TiB₂ честички | 25 | 4.6 | 4,5 |
| SiO₂ честички | 1.4 | <1,0 | 2,65 |
Дијамант, најтврдиот познат природен материјал (Мохс 10), исто така поседува исклучителнитоплинска спроводливост (200–2200 W/(m·K)).
Дијамантски микро-прав
Бакар, со висока топлинска/електрична спроводливост (401 W/(m·K)), еластичност и ефикасност на трошоците, е широко користен кај интегрираните кола.
Комбинирајќи ги овие својства,дијамантски/бакарни (Dia/Cu) композити— со Cu како матрица и дијамант како засилување — се појавуваат како материјали за термичко управување од следната генерација.
02 Клучни методи на изработка
Вообичаените методи за подготовка на дијамант/бакар вклучуваат: прашкаста металургија, метод на висока температура и висок притисок, метод на потопување, метод на синтерување со празнење со плазма, метод на ладно прскање итн.
Споредба на различни методи на подготовка, процеси и својства на дијамантски/бакарни композити со големина на честички
| Параметар | Прашкаста металургија | Вакуумско топло пресување | Синтерување со искричка плазма (SPS) | Висок притисок и висока температура (HPHT) | Нанесување со ладен спреј | Инфилтрација на топење |
| Тип на дијамант | МБД8 | HFD-D | МБД8 | МБД4 | PDA | MBD8/HHD |
| Матрица | 99,8% Cu во прав | 99,9% електролитски Cu прав | 99,9% Cu прав | Легура/чист Cu прав | Чист Cu прав | Чиста бакарна маса/прачка |
| Модификација на интерфејсот | – | – | – | Б, Ти, Си, Кр, Зр, В, Мо | – | – |
| Големина на честички (μm) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Волуменски удел (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| Температура (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| Притисок (МПа) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| Време (мин) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Релативна густина (%) | 98,5 | 99,2–99,7 | – | – | – | 99,4–99,7 |
| Перформанси | ||||||
| Оптимална топлинска спроводливост (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
Вообичаените композитни техники на Dia/Cu вклучуваат:
(1)Прашкаста металургија
Мешаните дијамантски/Cu прашоци се компактираат и синтеруваат. Иако е економичен и едноставен, овој метод дава ограничена густина, нехомогени микроструктури и ограничени димензии на примерокот.
Sединица за вградување
(1)Висок притисок и висока температура (HPHT)
Користејќи преси со повеќе наковални елементи, стопениот Cu се инфилтрира во дијамантски решетки под екстремни услови, произведувајќи густи композити. Сепак, HPHT бара скапи калапи и е несоодветен за производство во големи размери.
Cубичен печат
(1)Инфилтрација на топење
Растопен Cu продира во дијамантските преформи преку инфилтрација потпомогната од притисок или капиларно управувана. Добиените композити постигнуваат топлинска спроводливост >446 W/(m·K).
(2)Синтерување со искричка плазма (SPS)
Импулсната струја брзо синтерува мешани прашоци под притисок. Иако е ефикасна, перформансите на SPS се влошуваат при фракции на дијаманти >65 vol%.
Шематски дијаграм на системот за синтерување со празнење со плазма
(5) Нанесување со ладен спреј
Правовите се забрзуваат и се таложат на подлогите. Овој метод во почетна фаза се соочува со предизвици во контролата на завршната обработка на површината и валидацијата на термичките перформанси.
03 Модификација на интерфејсот
За подготовка на композитни материјали, меѓусебното навлажнување помеѓу компонентите е неопходен предуслов за процесот на производство на композит и важен фактор што влијае на структурата на меѓумеморијата и состојбата на врзување на меѓумеморијата. Условот на ненавлажнување на меѓумеморијата помеѓу дијамантот и Cu води до многу висок термички отпор на меѓумеморијата. Затоа, многу е важно да се спроведат истражувања за модификација на меѓумеморијата помеѓу двата преку различни технички средства. Во моментов, постојат главно два методи за подобрување на проблемот со меѓумеморијата помеѓу дијамантот и Cu матрицата: (1) Третман на површинска модификација на дијамантот; (2) Третман на легирање на бакарната матрица.
Шематски дијаграм на модификација: (а) Директно позлатување на површината на дијамантот; (б) Легурирање на матрица
(1) Модификација на површината на дијамантот
Поставувањето активни елементи како што се Mo, Ti, W и Cr на површинскиот слој од армирачката фаза може да ги подобри меѓуфазните карактеристики на дијамантот, со што се зголемува неговата топлинска спроводливост. Синтерувањето може да им овозможи на горенаведените елементи да реагираат со јаглеродот на површината на дијамантскиот прав за да формираат карбиден преоден слој. Ова ја оптимизира состојбата на навлажнување помеѓу дијамантот и металната основа, а облогата може да спречи промена на структурата на дијамантот на високи температури.
(2) Легирање на бакарната матрица
Пред композитната обработка на материјалите, металниот бакар се третира со претходно легирање, што може да произведе композитни материјали со генерално висока топлинска спроводливост. Допирањето на активни елементи во бакарната матрица не само што може ефикасно да го намали аголот на навлажнување помеѓу дијамантот и бакарот, туку и да генерира карбиден слој кој е цврст растворлив во бакарната матрица на интерфејсот дијамант/Cu по реакцијата. На овој начин, повеќето од празнините што постојат на интерфејсот на материјалот се модифицираат и пополнуваат, со што се подобрува топлинската спроводливост.
04 Заклучок
Конвенционалните материјали за пакување не се во можност да ја контролираат топлината од напредните чипови. Dia/Cu композитите, со подеслив CTE и ултрависока топлинска спроводливост, претставуваат трансформативно решение за електроника од следната генерација.
Како високотехнолошко претпријатие кое ги интегрира индустријата и трговијата, XKH се фокусира на истражување, развој и производство на дијамантски/бакарни композити и високо-перформансни композити од метална матрица како што се SiC/Al и Gr/Cu, обезбедувајќи иновативни решенија за термичко управување со топлинска спроводливост од над 900W/(m·K) за областите на електронско пакување, енергетски модули и воздухопловство.
XKH„s Ламинатен композитен материјал обложен со дијамантски бакар:
Време на објавување: 12 мај 2025 година