1980-luvulta lähtien elektronisten piirien integrointitiheys on kasvanut 1,5-kertaista tai nopeampaa vuosivauhtia. Suurempi integrointi johtaa suurempiin virrantiheyksiin ja lämmöntuotantoon käytön aikana.Jos lämpöä ei poisteta tehokkaasti, se voi aiheuttaa lämpövaurioita ja lyhentää elektronisten komponenttien käyttöikää.
Kasvavien lämmönhallintavaatimusten täyttämiseksi tutkitaan ja optimoidaan laajasti edistyneitä elektroniikkapakkausmateriaaleja, joilla on erinomainen lämmönjohtavuus.
Timantti/kupari-komposiittimateriaali
01 Timantti ja kupari
Perinteisiin pakkausmateriaaleihin kuuluvat keramiikka, muovit, metallit ja niiden seokset. Keraamit, kuten BeO ja AlN, omaavat puolijohteita vastaavia CTE-arvoja, hyvän kemiallisen stabiilisuuden ja kohtalaisen lämmönjohtavuuden. Niiden monimutkainen prosessointi, korkeat kustannukset (erityisesti myrkyllinen BeO) ja hauraus kuitenkin rajoittavat sovelluksia. Muovipakkaukset ovat edullisia, kevyitä ja eristäviä, mutta niillä on huono lämmönjohtavuus ja epävakaus korkeissa lämpötiloissa. Puhtailla metalleilla (Cu, Ag, Al) on korkea lämmönjohtavuus, mutta korkea CTE, kun taas seoksilla (Cu-W, Cu-Mo) on heikennetyt lämpöominaisuudet. Siksi tarvitaan kiireellisesti uusia pakkausmateriaaleja, jotka tasapainottavat korkean lämmönjohtavuuden ja optimaalisen CTE:n.
| Vahvistaminen | Lämmönjohtavuus (W/(m·K)) | CTE (×10⁻⁶/℃) | Tiheys (g/cm³) |
| Timantti | 700–2000 | 0,9–1,7 | 3.52 |
| BeO-hiukkaset | 300 | 4.1 | 3.01 |
| AlN-hiukkaset | 150–250 | 2.69 | 3.26 |
| SiC-hiukkaset | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| B₄C-hiukkaset | 29–67 | 4.4 | 2.52 |
| Boorikuitu | 40 | ~5.0 | 2.6 |
| TiC-hiukkaset | 40 | 7.4 | 4.92 |
| Al₂O₃-hiukkasia | 20–40 | 4.4 | 3.98 |
| SiC-viikset | 32 | 3.4 | – |
| Si₃N₄-hiukkasia | 28 | 1.44 | 3.18 |
| TiB₂-hiukkaset | 25 | 4.6 | 4.5 |
| SiO₂-hiukkaset | 1.4 | <1,0 | 2.65 |
Timantti, kovin tunnettu luonnonmateriaali (Mohs 10), on myös poikkeuksellisen kestävälämmönjohtavuus (200–2200 W/(m·K)).
Timanttimikrojauhe
Kupari, kanssa korkea lämmön-/sähkönjohtavuus (401 W/(m·K)), sitkeyttä ja kustannustehokkuutta käytetään laajalti IC-piireissä.
Yhdistämällä nämä ominaisuudet,timantti/kupari (Dia/Cu) komposiitit– kupari matriisina ja timantti lujitteena – ovat nousemassa seuraavan sukupolven lämmönhallintamateriaaleiksi.
02 Keskeiset valmistusmenetelmät
Yleisiä timantin/kuparin valmistusmenetelmiä ovat: jauhemetallurgia, korkean lämpötilan ja korkeapaineen menetelmä, sulautumismenetelmä, purkausplasmasintrausmenetelmä, kylmäruiskutusmenetelmä jne.
Yhden hiukkaskoon timantti/kupari-komposiittien eri valmistusmenetelmien, prosessien ja ominaisuuksien vertailu
| Parametri | Jauhemetallurgia | Tyhjiökuumapuristus | Kipinäplasmasintraus (SPS) | Korkeapaine-korkealämpötila (HPHT) | Kylmäruiskutuslaskeuma | Sulatuksen tunkeutuminen |
| Timanttityyppi | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | PDA | MBD8/HHD |
| Matriisi | 99,8 % kuparijauhetta | 99,9 % elektrolyyttistä kuparijauhetta | 99,9 % kuparijauhetta | Seos/puhdas kuparijauhe | Puhdas kuparijauhe | Puhdas kuparimassa/tanko |
| Rajapinnan muokkaus | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Hiukkaskoko (μm) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Tilavuusosuus (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| Lämpötila (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| Paine (MPa) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| Aika (min) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Suhteellinen tiheys (%) | 98,5 | 99,2–99,7 | – | – | – | 99,4–99,7 |
| Suorituskyky | ||||||
| Optimaalinen lämmönjohtavuus (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
Yleisiä Dia/Cu-komposiittitekniikoita ovat:
(1)Jauhemetallurgia
Sekoitetut timantti-/kuparijauheet tiivistetään ja sintrataan. Vaikka tämä menetelmä on kustannustehokas ja yksinkertainen, se tuottaa rajoitetun tiheyden, epähomogeenisia mikrorakenteita ja rajoitetut näytteen mitat.
Svälikappale
(1)Korkeapaine-korkealämpötila (HPHT)
Monialasinpuristimia käytettäessä sula kupari tunkeutuu timanttihilaan äärimmäisissä olosuhteissa, jolloin syntyy tiheitä komposiitteja. HPHT vaatii kuitenkin kalliita muotteja eikä sovellu laajamittaiseen tuotantoon.
Cubic-lehdistö
(1)Sulatuksen tunkeutuminen
Sula kupari tunkeutuu timanttiaihioihin paine-avusteisen tai kapillaari-infiltraation kautta. Tuloksena olevien komposiittien lämmönjohtavuus on >446 W/(m·K).
(2)Kipinäplasmasintraus (SPS)
Pulssivirta sintraa nopeasti sekoitetut jauheet paineen alaisena. Vaikka SPS on tehokas, sen suorituskyky heikkenee, kun timanttipitoisuus on yli 65 tilavuusprosenttia.
Kaaviokuva purkausplasmasintrausjärjestelmästä
(5) Kylmäruiskutus
Jauheet kiihdytetään ja kerrostetaan alustoille. Tämä vasta kehitteillä oleva menetelmä kohtaa haasteita pinnanlaadun hallinnassa ja lämpöominaisuuksien validoinnissa.
03 Käyttöliittymän muokkaus
Komposiittimateriaalien valmistuksessa komponenttien keskinäinen kostuminen on välttämätön edellytys komposiittiprosessille ja tärkeä tekijä, joka vaikuttaa rajapinnan rakenteeseen ja rajapinnan sidostilaan. Timantin ja kuparin rajapinnan kostuttamattomuus johtaa erittäin korkeaan rajapinnan lämmönkestävyyteen. Siksi on erittäin tärkeää suorittaa modifikaatiotutkimusta näiden kahden rajapinnalla erilaisilla teknisillä keinoilla. Tällä hetkellä on olemassa pääasiassa kaksi menetelmää timantin ja kuparimatriisin välisen rajapinnan ongelman parantamiseksi: (1) Timantin pinnan modifiointikäsittely; (2) Kuparimatriisin seostuskäsittely.
Modifikaatiokaavio: (a) Suora pinnoitus timantin pinnalle; (b) Matriisiseostus
(1) Timantin pinnanmuokkaus
Aktiivisten alkuaineiden, kuten Mo:n, Ti:n, W:n ja Cr:n, pinnoittaminen lujittavaan faasiin voi parantaa timantin rajapintaominaisuuksia ja siten parantaa sen lämmönjohtavuutta. Sintraus voi mahdollistaa näiden alkuaineiden reagoinnin timanttijauheen pinnalla olevan hiilen kanssa ja karbidisiirtymäkerroksen muodostamisen. Tämä optimoi timantin ja metallipohjan välisen kostutustilan, ja pinnoite voi estää timantin rakenteen muuttumisen korkeissa lämpötiloissa.
(2) Kuparimatriisin seostus
Ennen materiaalien komposiittikäsittelyä metalliselle kuparille suoritetaan esiseostuskäsittely, jolla voidaan tuottaa komposiittimateriaaleja, joilla on yleensä korkea lämmönjohtavuus. Kuparimatriisiin lisätyt aktiiviset aineosat voivat paitsi tehokkaasti pienentää timantin ja kuparin välistä kostutuskulmaa, myös muodostaa reaktion jälkeen kovametallikerroksen, joka liukenee kiinteästi kuparimatriisiin timantin ja kuparin rajapinnassa. Tällä tavoin suurin osa materiaalin rajapinnassa olevista raoista muuttuu ja täyttyy, mikä parantaa lämmönjohtavuutta.
04 Yhteenveto
Perinteiset pakkausmateriaalit eivät hallitse edistyneiden sirujen lämpöä. Dia/Cu-komposiitit, joilla on säädettävä CTE ja erittäin korkea lämmönjohtavuus, edustavat mullistavaa ratkaisua seuraavan sukupolven elektroniikkaan.
Teollisuuden ja kaupan yhdistävänä korkean teknologian yrityksenä XKH keskittyy timantti/kupari-komposiittien ja korkean suorituskyvyn metallimatriisikomposiittien, kuten SiC/Al:n ja Gr/Cu:n, tutkimukseen, kehitykseen ja tuotantoon. Se tarjoaa innovatiivisia lämmönhallintaratkaisuja, joiden lämmönjohtavuus on yli 900 W/(m·K) elektroniikkapakkausten, tehomoduulien ja ilmailuteollisuuden aloille.
XKH's Timanttikuvioinen kuparipinnoitettu laminaattikomposiittimateriaali:
Julkaisun aika: 12.5.2025