Od osemdesetih let prejšnjega stoletja se gostota integracije elektronskih vezij povečuje z letno stopnjo 1,5× ali hitreje. Večja integracija vodi do večjih gostot toka in nastajanja toplote med delovanjem.Če se ta toplota ne odvaja učinkovito, lahko povzroči toplotno okvaro in skrajša življenjsko dobo elektronskih komponent.
Za zadostitev naraščajočim zahtevam po upravljanju toplote se obsežno raziskujejo in optimizirajo napredni materiali za elektronsko embalažo z vrhunsko toplotno prevodnostjo.
Diamantno-bakreni kompozitni material
01 Diamant in baker
Tradicionalni embalažni materiali vključujejo keramiko, plastiko, kovine in njihove zlitine. Keramika, kot sta BeO in AlN, kaže CTE, ki se ujema s polprevodniki, dobro kemijsko stabilnost in zmerno toplotno prevodnost. Vendar pa njihova kompleksna obdelava, visoki stroški (zlasti strupeni BeO) in krhkost omejujejo uporabo. Plastična embalaža ponuja nizke stroške, majhno težo in izolacijo, vendar ima slabo toplotno prevodnost in nestabilnost pri visokih temperaturah. Čiste kovine (Cu, Ag, Al) imajo visoko toplotno prevodnost, vendar visok CTE, medtem ko zlitine (Cu-W, Cu-Mo) ogrožajo toplotne lastnosti. Zato so nujno potrebni novi embalažni materiali, ki uravnotežujejo visoko toplotno prevodnost in optimalen CTE.
| Ojačitev | Toplotna prevodnost (W/(m·K)) | KTE (×10⁻⁶/℃) | Gostota (g/cm³) |
| Diamant | 700–2000 | 0,9–1,7 | 3,52 |
| Delci BeO | 300 | 4.1 | 3,01 |
| delci AlN | 150–250 | 2,69 | 3,26 |
| delci SiC | 80–200 | 4,0 | 3.21 |
| Delci B₄C | 29–67 | 4.4 | 2,52 |
| Borova vlakna | 40 | ~5,0 | 2.6 |
| delci TiC | 40 | 7.4 | 4,92 |
| delci Al₂O₃ | 20–40 | 4.4 | 3,98 |
| SiC-ovi lasje | 32 | 3.4 | – |
| delci Si₃N₄ | 28 | 1,44 | 3.18 |
| delci TiB₂ | 25 | 4.6 | 4,5 |
| delci SiO₂ | 1.4 | <1,0 | 2,65 |
Diamant, najtrši znani naravni material (Mohs 10), ima tudi izjemnetoplotna prevodnost (200–2200 W/(m·K)).
Diamantni mikro prah
Baker, z visoka toplotna/električna prevodnost (401 W/(m·K)), duktilnost in stroškovna učinkovitost, se pogosto uporablja v integriranih vezjih.
Združevanje teh lastnosti,diamant/baker (Dia/Cu) kompoziti– z bakrom kot matrico in diamantom kot ojačitvijo – se pojavljajo kot materiali za toplotno upravljanje naslednje generacije.
02 Ključne metode izdelave
Med pogoste metode za pripravo diamanta/bakra spadajo: prašna metalurgija, metoda pri visoki temperaturi in visokem tlaku, metoda potopitve v talino, metoda sintranja s plazemskim razelektrenjem, metoda hladnega brizganja itd.
Primerjava različnih metod priprave, postopkov in lastnosti diamantno-bakrenih kompozitov z enojnimi delci
| Parameter | Prašna metalurgija | Vakuumsko vroče stiskanje | Sintranje z iskro in plazmo (SPS) | Visokotlačni visokotemperaturni (HPHT) | Hladno pršenje | Infiltracija taline |
| Vrsta diamanta | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | PDA | MBD8/HHD |
| Matrica | 99,8 % bakrenega prahu | 99,9 % elektrolitski bakreni prah | 99,9 % bakrenega prahu | Zlitina/čisti bakreni prah | Čisti bakreni prah | Čisti baker v razsutem stanju/palica |
| Sprememba vmesnika | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Velikost delcev (μm) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Volumski delež (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| Temperatura (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| Tlak (MPa) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| Čas (min) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Relativna gostota (%) | 98,5 | 99,2–99,7 | – | – | – | 99,4–99,7 |
| Zmogljivost | ||||||
| Optimalna toplotna prevodnost (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
Običajne kompozitne tehnike Dia/Cu vključujejo:
(1)Prašna metalurgija
Mešani diamantni/Cu prahovi se stisnejo in sintrajo. Čeprav je ta metoda stroškovno učinkovita in preprosta, daje omejeno gostoto, nehomogene mikrostrukture in omejene dimenzije vzorcev.
Senota za medsebojno delovanje
(1)Visokotlačni visokotemperaturni (HPHT)
Z uporabo večnakovalnih stiskalnic staljeni Cu v ekstremnih pogojih infiltrira diamantne mreže in tako ustvari goste kompozite. Vendar pa HPHT zahteva drage kalupe in ni primeren za proizvodnjo v velikem obsegu.
Cubic press
(1)Infiltracija taline
Staljeni Cu prežema diamantne predoblike s pomočjo tlaka ali kapilarno poganjano infiltracijo. Nastali kompoziti dosegajo toplotno prevodnost >446 W/(m·K).
(2)Sintranje z iskro in plazmo (SPS)
Pulzni tok hitro sintra mešane praške pod tlakom. Čeprav je učinkovit, se delovanje SPS poslabša pri deležu diamantov > 65 vol.%.
Shematski diagram sistema za sintranje s plazmo
(5) Hladno pršenje
Praški se pospešijo in nanesejo na substrate. Ta nastajajoča metoda se sooča z izzivi pri nadzoru površinske obdelave in validaciji toplotnih lastnosti.
03 Sprememba vmesnika
Za pripravo kompozitnih materialov je medsebojno omočenje med komponentami nujen predpogoj za kompozitni postopek in pomemben dejavnik, ki vpliva na strukturo vmesnika in stanje vezi na vmesniku. Pogoj brez omočenja na vmesniku med diamantom in bakrom vodi do zelo visoke toplotne upornosti vmesnika. Zato je zelo pomembno, da se z različnimi tehničnimi sredstvi izvedejo raziskave modifikacije vmesnika med njima. Trenutno obstajata predvsem dve metodi za izboljšanje problema vmesnika med diamantom in bakreno matrico: (1) modifikacija površine diamanta; (2) legiranje bakrene matrice.
Shematski diagram modifikacije: (a) Neposredno nanašanje na površino diamanta; (b) Matrično legiranje
(1) Površinska modifikacija diamanta
Nanos aktivnih elementov, kot so Mo, Ti, W in Cr, na površinsko plast ojačitvene faze lahko izboljša medfazne lastnosti diamanta in s tem poveča njegovo toplotno prevodnost. Sintranje lahko omogoči, da zgoraj navedeni elementi reagirajo z ogljikom na površini diamantnega prahu in tvorijo karbidno prehodno plast. To optimizira stanje omočenja med diamantom in kovinsko osnovo, premaz pa lahko prepreči spreminjanje strukture diamanta pri visokih temperaturah.
(2) Legiranje bakrene matrice
Pred kompozitno obdelavo materialov se na kovinskem bakru izvede predhodna legirna obdelava, s katero se lahko proizvedejo kompozitni materiali s splošno visoko toplotno prevodnostjo. Dopiranje z aktivnimi elementi v bakreni matrici ne le učinkovito zmanjša kot omočljivosti med diamantom in bakrom, temveč po reakciji na vmesniku diamant/Cu ustvari tudi karbidno plast, ki je trdno topna v bakreni matrici. Na ta način se večina vrzeli na vmesniku materiala spremeni in zapolni, s čimer se izboljša toplotna prevodnost.
04 Zaključek
Konvencionalni embalažni materiali ne obvladujejo toplote naprednih čipov. Kompoziti Dia/Cu z nastavljivim koeficientom toplotne razporeditve (CTE) in ultra visoko toplotno prevodnostjo predstavljajo prelomno rešitev za elektroniko naslednje generacije.
Kot visokotehnološko podjetje, ki združuje industrijo in trgovino, se XKH osredotoča na raziskave, razvoj in proizvodnjo diamantno-bakrenih kompozitov in visokozmogljivih kovinsko-matričnih kompozitov, kot sta SiC/Al in Gr/Cu, ter zagotavlja inovativne rešitve za upravljanje toplote s toplotno prevodnostjo nad 900 W/(m·K) za področja elektronske embalaže, energetskih modulov in vesoljske industrije.
XKH'Diamantno bakreno prevlečen laminatni kompozitni material:
Čas objave: 12. maj 2025