Od lat 80. XX wieku gęstość integracji układów elektronicznych rośnie corocznie 1,5-krotnie lub szybciej. Wyższy stopień integracji prowadzi do większej gęstości prądu i generowania ciepła podczas pracy.Jeżeli ciepło nie zostanie skutecznie rozproszone, może spowodować awarię termiczną i skrócić żywotność podzespołów elektronicznych.
Aby sprostać rosnącym wymaganiom w zakresie zarządzania ciepłem, prowadzone są szeroko zakrojone badania i udoskonalane zaawansowane materiały do pakowania urządzeń elektronicznych, charakteryzujące się lepszym przewodnictwem cieplnym.
Materiał kompozytowy diament/miedź
01 Diament i miedź
Tradycyjne materiały opakowaniowe obejmują ceramikę, tworzywa sztuczne, metale i ich stopy. Materiały ceramiczne, takie jak BeO i AlN, charakteryzują się współczynnikiem rozszerzalności cieplnej (CTE) odpowiadającym półprzewodnikom, dobrą stabilnością chemiczną i umiarkowanym współczynnikiem przewodzenia ciepła. Jednak ich skomplikowane przetwarzanie, wysoki koszt (zwłaszcza toksycznego BeO) i kruchość ograniczają ich zastosowanie. Opakowania z tworzyw sztucznych oferują niskie koszty, lekkość i izolację, ale charakteryzują się niską przewodnością cieplną i niestabilnością w wysokich temperaturach. Czyste metale (Cu, Ag, Al) mają wysoką przewodność cieplną, ale wysoki współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE), podczas gdy stopy (Cu-W, Cu-Mo) pogarszają parametry termiczne. Dlatego pilnie potrzebne są nowatorskie materiały opakowaniowe, które zapewnią równowagę między wysoką przewodnością cieplną a optymalnym współczynnikiem rozszerzalności cieplnej (CTE).
| Wzmocnienie | Przewodność cieplna (W/(m·K)) | Współczynnik rozszerzalności cieplnej (×10⁻⁶/℃) | Gęstość (g/cm³) |
| Diament | 700–2000 | 0,9–1,7 | 3,52 |
| Cząsteczki BeO | 300 | 4.1 | 3.01 |
| Cząsteczki AlN | 150–250 | 2,69 | 3.26 |
| Cząsteczki SiC | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| Cząsteczki B₄C | 29–67 | 4.4 | 2,52 |
| Włókno borowe | 40 | ~5,0 | 2.6 |
| Cząsteczki TiC | 40 | 7.4 | 4,92 |
| Cząsteczki Al₂O₃ | 20–40 | 4.4 | 3,98 |
| Wąsy SiC | 32 | 3.4 | – |
| Cząsteczki Si₃N₄ | 28 | 1,44 | 3.18 |
| Cząsteczki TiB₂ | 25 | 4.6 | 4.5 |
| Cząsteczki SiO₂ | 1.4 | <1,0 | 2,65 |
Diament, najtwardszy znany materiał naturalny (10 w skali Mohsa), posiada również wyjątkowąprzewodność cieplna (200–2200 W/(m·K)).
Mikroproszek diamentowy
Miedź, z wysoka przewodność cieplna/elektryczna (401 W/(m·K)), ciągliwość i opłacalność, jest szeroko stosowany w układach scalonych.
Łącząc te właściwości,kompozyty diament/miedź (Dia/Cu).—z Cu jako matrycą i diamentem jako wzmocnieniem — stają się materiałami nowej generacji do zarządzania ciepłem.
02 Kluczowe metody produkcji
Do powszechnie stosowanych metod otrzymywania diamentu/miedzi zalicza się: metalurgię proszków, metodę wysokotemperaturową i wysokociśnieniową, metodę zanurzania w stopie, metodę spiekania plazmowego z wyładowaniem elektrostatycznym, metodę natryskiwania na zimno itp.
Porównanie różnych metod przygotowania, procesów i właściwości kompozytów diamentowo-miedzianych o pojedynczej wielkości cząstek
| Parametr | Metalurgia proszków | Prasowanie próżniowe na gorąco | Spiekanie plazmowe iskrowe (SPS) | Wysokociśnieniowy i wysokotemperaturowy (HPHT) | Osadzanie natryskowe na zimno | Infiltracja stopu |
| Typ diamentu | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | PDA | MBD8/HHD |
| Matryca | 99,8% proszku Cu | Proszek Cu elektrolitycznej 99,9% | 99,9% proszek Cu | Stop/czysty proszek Cu | Czysty proszek Cu | Czysta Cu luzem/pręt |
| Modyfikacja interfejsu | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Wielkość cząstek (μm) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Ułamek objętości (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| Temperatura (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| Ciśnienie (MPa) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| Czas (min) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Gęstość względna (%) | 98,5 | 99,2–99,7 | – | – | – | 99,4–99,7 |
| Wydajność | ||||||
| Optymalna przewodność cieplna (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
Typowe techniki kompozytowe Dia/Cu obejmują:
(1)Metalurgia proszków
Mieszane proszki diamentu i miedzi są zagęszczane i spiekane. Choć ta metoda jest ekonomiczna i prosta, charakteryzuje się ograniczoną gęstością, niejednorodną mikrostrukturą i ograniczonymi wymiarami próbki.
Sjednostka interingowa
(1)Wysokociśnieniowy i wysokotemperaturowy (HPHT)
Za pomocą pras wielokowadłowych, stopiona Cu infiltruje sieci diamentowe w ekstremalnych warunkach, tworząc gęste kompozyty. Jednak HPHT wymaga drogich form i nie nadaje się do produkcji na dużą skalę.
Cprasa ubic
(1)Infiltracja stopu
Stopiona Cu przenika przez diamentowe preformy poprzez infiltrację wspomaganą ciśnieniem lub kapilarą. Powstałe kompozyty osiągają przewodność cieplną >446 W/(m·K).
(2)Spiekanie plazmowe iskrowe (SPS)
Prąd pulsacyjny szybko spieka mieszane proszki pod ciśnieniem. Pomimo wysokiej wydajności, wydajność SPS spada przy udziale diamentów >65% obj.
Schematyczny diagram układu spiekania plazmowego wyładowczego
(5) Osadzanie natryskowe na zimno
Proszki są przyspieszane i osadzane na podłożach. Ta nowa metoda napotyka na wyzwania związane z kontrolą jakości powierzchni i walidacją właściwości termicznych.
03 Modyfikacja interfejsu
W procesie wytwarzania materiałów kompozytowych, wzajemne zwilżanie składników jest niezbędnym warunkiem wstępnym procesu kompozytowego oraz ważnym czynnikiem wpływającym na strukturę i stan wiązania międzyfazowego. Brak zwilżania na granicy faz diamentu i miedzi prowadzi do bardzo wysokiej rezystancji termicznej międzyfazowej. Dlatego niezwykle istotne jest prowadzenie badań nad modyfikacją granicy faz za pomocą różnych środków technicznych. Obecnie istnieją dwie główne metody rozwiązania problemu granicy faz diamentu i osnowy miedziowej: (1) modyfikacja powierzchni diamentu; (2) stopowanie osnowy miedziowej.
Schemat modyfikacji: (a) Bezpośrednie nakładanie powłoki na powierzchnię diamentu; (b) Stopowanie matrycowe
(1) Modyfikacja powierzchni diamentu
Naniesienie na warstwę powierzchniową fazy wzmacniającej pierwiastków aktywnych, takich jak Mo, Ti, W i Cr, może poprawić właściwości międzyfazowe diamentu, zwiększając tym samym jego przewodność cieplną. Spiekanie umożliwia reakcję powyższych pierwiastków z węglem na powierzchni proszku diamentowego, tworząc warstwę przejściową węglika. Optymalizuje to stan zwilżalności między diamentem a metalowym podłożem, a powłoka zapobiega zmianom struktury diamentu w wysokich temperaturach.
(2) Stopowanie matrycy miedziowej
Przed obróbką kompozytową materiałów, metaliczna miedź poddawana jest wstępnej obróbce stopowej, co pozwala na uzyskanie materiałów kompozytowych o generalnie wysokiej przewodności cieplnej. Domieszkowanie pierwiastków aktywnych w osnowie miedzi pozwala nie tylko skutecznie zmniejszyć kąt zwilżania między diamentem a miedzią, ale także wytworzyć warstwę węglika, która po reakcji jest rozpuszczalna w osnowie miedzi na granicy faz diament/Cu. W ten sposób większość szczelin istniejących na granicy faz materiału ulega modyfikacji i wypełnieniu, co poprawia przewodność cieplną.
04 Wnioski
Konwencjonalne materiały opakowaniowe nie radzą sobie z odprowadzaniem ciepła wytwarzanego przez zaawansowane układy scalone. Kompozyty Dia/Cu, z regulowanym współczynnikiem rozszerzalności cieplnej (CTE) i ultrawysoką przewodnością cieplną, stanowią przełomowe rozwiązanie dla elektroniki nowej generacji.
Jako przedsiębiorstwo high-tech integrujące przemysł i handel, XKH skupia się na badaniach, rozwoju i produkcji kompozytów diamentowo-miedzianych oraz wysokowydajnych kompozytów z matrycą metalową, takich jak SiC/Al i Gr/Cu, dostarczając innowacyjne rozwiązania w zakresie zarządzania ciepłem o przewodności cieplnej przekraczającej 900 W/(m·K) dla obszarów obudów elektronicznych, modułów mocy i przemysłu lotniczego.
XKH's Materiał kompozytowy z laminatu pokrytego miedzią diamentową:
Czas publikacji: 12 maja 2025 r.