Од 1980-их, густина интеграције електронских кола расте годишњом стопом од 1,5 пута или брже. Већа интеграција доводи до већих густина струје и стварања топлоте током рада.Ако се не распрши ефикасно, ова топлота може изазвати термички квар и скратити век трајања електронских компоненти.
Да би се задовољили све већи захтеви за управљање топлотом, напредни материјали за електронско паковање са супериорном топлотном проводљивошћу се опсежно истражују и оптимизују.
Дијамантско-бакарни композитни материјал
01 Дијамант и бакар
Традиционални материјали за паковање укључују керамику, пластику, метале и њихове легуре. Керамика попут BeO и AlN показује коефицијент трпезаријске екстензије (CTE) који је подударни са полупроводницима, добру хемијску стабилност и умерену топлотну проводљивост. Међутим, њихова сложена обрада, висока цена (посебно токсични BeO) и кртост ограничавају примену. Пластична амбалажа нуди ниску цену, малу тежину и изолацију, али пати од лоше топлотне проводљивости и нестабилности на високим температурама. Чисти метали (Cu, Ag, Al) имају високу топлотну проводљивост, али прекомерни CTE, док легуре (Cu-W, Cu-Mo) угрожавају термичке перформансе. Стога су хитно потребни нови материјали за паковање који уравнотежују високу топлотну проводљивост и оптимални CTE.
| Арматура | Топлотна проводљивост (W/(m·K)) | КТР (×10⁻⁶/℃) | Густина (г/цм³) |
| Дијамант | 700–2000 | 0,9–1,7 | 3,52 |
| BeO честице | 300 | 4.1 | 3.01 |
| AlN честице | 150–250 | 2,69 | 3.26 |
| SiC честице | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| B₄C честице | 29–67 | 4.4 | 2,52 |
| Борова влакна | 40 | ~5.0 | 2.6 |
| TiC честице | 40 | 7.4 | 4,92 |
| Честице Al₂O₃ | 20–40 | 4.4 | 3,98 |
| SiC бркови | 32 | 3.4 | – |
| честице Si₃N₄ | 28 | 1,44 | 3.18 |
| TiB₂ честице | 25 | 4.6 | 4,5 |
| SiO₂ честице | 1.4 | <1,0 | 2,65 |
Дијамант, најтврђи познати природни материјал (Мос 10), такође поседује изузетнетоплотна проводљивост (200–2200 W/(m·K)).
Дијамантски микро-прах
Бакар, са висока топлотна/електрична проводљивост (401 W/(m·K)), дуктилност и исплативост, широко се користи у интегрисаним колима.
Комбинујући ова својства,композити дијамант/бакар (Диа/Цу).— са бакром као матрицом и дијамантом као арматуром — појављују се као материјали следеће генерације за управљање топлотом.
02 Кључне методе израде
Уобичајене методе за припрему дијаманта/бакра укључују: металургију праха, методу високе температуре и високог притиска, методу урањања у растоп, методу синтеровања плазмом пражњења, методу хладног прскања итд.
Поређење различитих метода припреме, процеса и својстава композита дијамант/бакар појединачних честица величине
| Параметар | Металургија праха | Вакуумско вруће пресовање | Синтеровање плазмом искре (SPS) | Високопритисни високотемпературни (HPHT) | Хладно прскање | Инфилтрација растопљеног материјала |
| Тип дијаманта | МБД8 | HFD-D | МБД8 | МБД4 | ПДА | МБД8/ХХД |
| Матрица | 99,8% бакарног праха | 99,9% електролитички бакарни прах | 99,9% бакарног праха | Легура/чисти бакарни прах | Чисти бакарни прах | Чисти бакар у расутом стању/шип |
| Модификација интерфејса | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Величина честица (μm) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Запремински удео (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| Температура (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| Притисак (MPa) | 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 |
| Перформансе | ||||||
| Оптимална топлотна проводљивост (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
Уобичајене технике композита Диа/Цу укључују:
(1)Металургија праха
Мешани дијамантски/бакарни прахови се сабијају и синтерују. Иако је исплатив и једноставан, овај метод даје ограничену густину, нехомогене микроструктуре и ограничене димензије узорка.
Sјединица за интеракцију
(1)Високопритисни високотемпературни (HPHT)
Коришћењем преса са више наковња, растопљени бакар инфилтрира дијамантске решетке под екстремним условима, производећи густе композите. Међутим, HPHT захтева скупе калупе и није погодан за производњу великих размера.
CУбиц штампа
(1)Инфилтрација растопљеног материјала
Растопљени бакар прожима дијамантске преформе путем инфилтрације уз помоћ притиска или капиларно вођене инфилтрације. Добијени композити постижу топлотну проводљивост >446 W/(m·K).
(2)Синтеровање плазмом искре (SPS)
Пулсирајућа струја брзо синтерује помешане прахове под притиском. Иако је ефикасна, перформансе SPS-а се деградирају при уделу дијаманата >65 вол%.
Шематски дијаграм система за синтеровање плазмом пражњења
(5) Хладно прскање
Прашкови се убрзавају и наносе на подлоге. Ова метода у настајању суочава се са изазовима у контроли завршне обраде површине и валидацији термичких перформанси.
03 Модификација интерфејса
За припрему композитних материјала, међусобно влажење између компоненти је неопходан предуслов за процес композитирања и важан фактор који утиче на структуру међуповршине и стање везивања на међуповршини. Услови одсуства влажења на међуповршини између дијаманта и бакра доводе до веома високе термичке отпорности међуповршине. Стога је веома важно спровести истраживање модификације међуповршине између њих кроз различита техничка средства. Тренутно постоје углавном две методе за побољшање проблема међуповршине између дијаманта и бакарне матрице: (1) Модификација површине дијаманта; (2) Легирање бакарне матрице.
Шематски дијаграм модификације: (а) Директно наношење превлаке на површину дијаманта; (б) Легирање матрице
(1) Површинска модификација дијаманта
Наношење активних елемената као што су Mo, Ti, W и Cr на површински слој армирајуће фазе може побољшати међуповршинске карактеристике дијаманта, чиме се повећава његова топлотна проводљивост. Синтеровање може омогућити горе наведеним елементима да реагују са угљеником на површини дијамантског праха и формирају прелазни слој карбида. Ово оптимизује стање влажења између дијаманта и металне основе, а премаз може спречити промену структуре дијаманта на високим температурама.
(2) Легирање бакарне матрице
Пре композитне обраде материјала, на металном бакру се врши претходна обрада легирања, што може произвести композитне материјале са генерално високом топлотном проводљивошћу. Допирање активних елемената у матрици бакра не само да може ефикасно смањити угао влажења између дијаманта и бакра, већ и генерисати слој карбида који је чврсто растворљив у матрици бакра на граници дијамант/бакар након реакције. На овај начин, већина постојећих празнина на граници материјала се модификује и попуњава, чиме се побољшава топлотна проводљивост.
04 Закључак
Конвенционални материјали за паковање не успевају у управљању топлотом са напредних чипова. Dia/Cu композити, са подесивим CTE коефицијентом и ултрависоком топлотном проводљивошћу, представљају трансформативно решење за електронику следеће генерације.
Као високотехнолошко предузеће које интегрише индустрију и трговину, XKH се фокусира на истраживање и развој и производњу дијамантских/бакарних композита и високоперформансних металних матричних композита као што су SiC/Al и Gr/Cu, пружајући иновативна решења за управљање топлотом са топлотном проводљивошћу преко 900W/(m·K) за области електронског паковања, енергетских модула и ваздухопловства.
XKH'Композитни материјал од ламината обложеног бакром у облику дијаманта:
Време објаве: 12. мај 2025.