Od lat 80. gęstość integracji obwodów elektronicznych wzrastała w tempie rocznym 1,5× lub szybszym. Większa integracja prowadzi do większych gęstości prądu i generowania ciepła podczas pracy.Jeżeli ciepło nie zostanie skutecznie rozproszone, może spowodować awarię termiczną i skrócenie żywotności podzespołów elektronicznych.
Aby sprostać rosnącym wymaganiom dotyczącym zarządzania ciepłem, prowadzone są szeroko zakrojone badania i prace nad udoskonaleniem zaawansowanych materiałów do pakowania urządzeń elektronicznych, charakteryzujących się lepszym przewodnictwem cieplnym.
Materiał kompozytowy diament/miedź
01 Diament i Miedź
Tradycyjne materiały opakowaniowe obejmują ceramikę, tworzywa sztuczne, metale i ich stopy. Ceramika, taka jak BeO i AlN, wykazuje współczynniki rozszerzalności cieplnej odpowiadające półprzewodnikom, dobrą stabilność chemiczną i umiarkowaną przewodność cieplną. Jednak ich złożona obróbka, wysoki koszt (szczególnie toksycznego BeO) i kruchość ograniczają zastosowania. Opakowania z tworzyw sztucznych są tanie, lekkie i izolują, ale cierpią na słabą przewodność cieplną i niestabilność w wysokiej temperaturze. Czyste metale (Cu, Ag, Al) mają wysoką przewodność cieplną, ale nadmierny współczynnik rozszerzalności cieplnej, podczas gdy stopy (Cu-W, Cu-Mo) pogarszają wydajność cieplną. Dlatego też pilnie potrzebne są nowe materiały opakowaniowe, które zrównoważą wysoką przewodność cieplną i optymalny współczynnik rozszerzalności cieplnej.
| 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 naturalny materiał (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 temperaturą.
02 Kluczowe metody produkcji
Do powszechnie stosowanych metod otrzymywania diamentów/miedzi zalicza się: metalurgię proszkową, metodę wysokotemperaturową i wysokociśnieniową, metodę zanurzeniową w stopie, metodę spiekania plazmowego, metodę natryskiwania na zimno itp.
Porównanie różnych metod przygotowania, procesów i właściwości kompozytów diamentu/miedzi 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 | Proszek Cu 99,8% | Proszek Cu elektrolityczny 99,9% | Proszek Cu 99,9% | 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 diamentowe/Cu są zagęszczane i spiekane. Choć ta metoda jest ekonomiczna i prosta, daje ograniczoną gęstość, niejednorodne mikrostruktury i ograniczone wymiary próbki.
Sjednostka interingowa
(1)Wysokociśnieniowy i wysokotemperaturowy (HPHT)
Przy użyciu pras wielokowadłowych stopiona Cu infiltruje kraty diamentowe w ekstremalnych warunkach, wytwarzając gęste kompozyty. Jednakże HPHT wymaga drogich form i nie nadaje się do produkcji na dużą skalę.
Cprasa ubicka
(1)Infiltracja stopu
Stopiony Cu przenika diamentowe formy wstępne 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. Mimo że jest wydajny, wydajność SPS pogarsza się przy frakcjach diamentowych >65% obj.
Schematyczny diagram układu spiekania plazmowego wyładowczego
(5) Osadzanie natryskowe na zimno
Proszki są przyspieszane i osadzane na podłożach. Ta rodząca się metoda napotyka wyzwania w zakresie kontroli wykończenia powierzchni i walidacji wydajności cieplnej.
03 Modyfikacja interfejsu
W przypadku przygotowywania materiałów kompozytowych wzajemne zwilżanie między składnikami jest niezbędnym warunkiem wstępnym dla procesu kompozytowego i ważnym czynnikiem wpływającym na strukturę interfejsu i stan wiązania interfejsu. Stan braku zwilżania na interfejsie między diamentem a Cu prowadzi do bardzo wysokiej rezystancji cieplnej interfejsu. Dlatego też bardzo ważne jest przeprowadzenie badań modyfikacyjnych na interfejsie między nimi za pomocą różnych środków technicznych. Obecnie istnieją głównie dwie metody poprawy problemu interfejsu między diamentem a matrycą Cu: (1) obróbka powierzchni diamentu; (2) obróbka stopowa matrycy miedzianej.
Schematyczny diagram modyfikacji: (a) Bezpośrednie nakładanie powłoki na powierzchnię diamentu; (b) Stopowanie matrycowe
(1) Modyfikacja powierzchni diamentu
Nakładanie aktywnych elementów, takich jak Mo, Ti, W i Cr na warstwę powierzchniową fazy wzmacniającej, może poprawić charakterystykę międzyfazową diamentu, zwiększając tym samym jego przewodność cieplną. Spiekanie może umożliwić powyższym elementom reakcję z węglem na powierzchni proszku diamentowego, tworząc warstwę przejściową węglika. Optymalizuje to stan zwilżania między diamentem a podstawą metalową, a powłoka może zapobiec zmianie struktury diamentu w wysokich temperaturach.
(2) Stopowanie matrycy miedzianej
Przed kompozytową obróbką materiałów, przeprowadza się wstępną obróbkę stopową miedzi metalicznej, która może wytwarzać materiały kompozytowe o ogólnie wysokiej przewodności cieplnej. Domieszkowanie aktywnych pierwiastków w matrycy miedzianej może nie tylko skutecznie zmniejszyć kąt zwilżania między diamentem a miedzią, ale także wygenerować warstwę węglika, która jest rozpuszczalna w matrycy miedzianej na granicy diament/Cu po reakcji. W ten sposób większość szczelin istniejących na granicy materiału jest modyfikowana i wypełniana, co poprawia przewodność cieplną.
04 Wnioski
Konwencjonalne materiały opakowaniowe nie radzą sobie z zarządzaniem ciepłem z zaawansowanych chipów. 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 koncentruje 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 temperaturą o przewodności cieplnej ponad 900 W/(m·K) dla obszarów opakowań elektronicznych, modułów mocy i przemysłu lotniczego.
XKH'Materiał kompozytowy z laminatu pokrytego miedzią diamentową:
Czas publikacji: 12-05-2025