Siden 1980'erne er integrationstætheden i elektroniske kredsløb steget med en årlig hastighed på 1,5 gange eller hurtigere. Højere integration fører til større strømtætheder og varmeudvikling under drift.Hvis varmen ikke bortledes effektivt, kan den forårsage termisk svigt og reducere levetiden for elektroniske komponenter.
For at imødekomme de stigende krav til termisk styring forskes og optimeres avancerede elektroniske emballagematerialer med overlegen varmeledningsevne grundigt.
Diamant/kobber kompositmateriale
01 Diamant og kobber
Traditionelle emballagematerialer omfatter keramik, plast, metaller og deres legeringer. Keramik som BeO2 og AlN udviser CTE-matching som halvledere, god kemisk stabilitet og moderat varmeledningsevne. Imidlertid begrænser deres komplekse forarbejdning, høje omkostninger (især giftig BeO2) og sprødhed anvendelserne. Plastemballage tilbyder lave omkostninger, let vægt og isolering, men lider af dårlig varmeledningsevne og ustabilitet ved høje temperaturer. Rene metaller (Cu, Ag, Al) har høj varmeledningsevne, men overdreven CTE, mens legeringer (Cu-W, Cu-Mo) kompromitterer den termiske ydeevne. Derfor er der et presserende behov for nye emballagematerialer, der balancerer høj varmeledningsevne og optimal CTE.
| Forstærkning | Varmeledningsevne (W/(m·K)) | CTE (×10⁻⁶/℃) | Densitet (g/cm³) |
| Diamant | 700–2000 | 0,9–1,7 | 3,52 |
| BeO2-partikler | 300 | 4.1 | 3.01 |
| AlN-partikler | 150–250 | 2,69 | 3,26 |
| SiC-partikler | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| B₄C-partikler | 29–67 | 4.4 | 2,52 |
| Borfiber | 40 | ~5,0 | 2.6 |
| TiC-partikler | 40 | 7.4 | 4,92 |
| Al₂O₃-partikler | 20–40 | 4.4 | 3,98 |
| SiC-knurhår | 32 | 3.4 | – |
| Si₃N₄-partikler | 28 | 1,44 | 3.18 |
| TiB₂-partikler | 25 | 4.6 | 4,5 |
| SiO₂-partikler | 1.4 | <1,0 | 2,65 |
Diamant, det hårdeste kendte naturmateriale (Mohs 10), besidder også eneståendevarmeledningsevne (200–2200 W/(m·K)).
Diamantmikropulver
Kobber, med høj termisk/elektrisk ledningsevne (401 W/(m·K)), duktilitet og omkostningseffektivitet, er meget anvendt i IC'er.
Ved at kombinere disse egenskaber,diamant/kobber (Dia/Cu) kompositter— med Cu som matrix og diamant som forstærkning — er ved at blive næste generations materialer til termisk styring.
02 Vigtige fremstillingsmetoder
De almindelige metoder til fremstilling af diamant/kobber omfatter: pulvermetallurgi, højtemperatur- og højtryksmetoden, smelteimmersionsmetode, plasmasintringsmetode med udledning, koldsprøjtningsmetode osv.
Sammenligning af forskellige fremstillingsmetoder, processer og egenskaber for diamant/kobber-kompositter med enkelt partikelstørrelse
| Parameter | Pulvermetallurgi | Vakuum varmpresning | Gnistplasmasintring (SPS) | Højtryks-højtemperatur (HPHT) | Kold sprøjteaflejring | Smelteinfiltration |
| Diamanttype | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | PDA-kort | MBD8/HHD |
| Matrix | 99,8% Cu-pulver | 99,9% elektrolytisk Cu-pulver | 99,9% Cu-pulver | Legering/rent Cu-pulver | Rent Cu-pulver | Ren Cu i bulk/stang |
| Grænsefladeændring | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Partikelstørrelse (μm) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Volumenfraktion (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| Temperatur (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| Tryk (MPa) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| Tid (min) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Relativ densitet (%) | 98,5 | 99,2–99,7 | – | – | – | 99,4–99,7 |
| Præstation | ||||||
| Optimal varmeledningsevne (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
Almindelige Dia/Cu kompositteknikker inkluderer:
(1)Pulvermetallurgi
Blandede diamant-/Cu-pulvere komprimeres og sintres. Selvom denne metode er omkostningseffektiv og enkel, giver den begrænset densitet, inhomogene mikrostrukturer og begrænsede prøvedimensioner.
Smellemliggende enhed
(1)Højtryks-højtemperatur (HPHT)
Ved hjælp af multi-amboltpresser infiltrerer smeltet Cu diamantgitre under ekstreme forhold og producerer tætte kompositter. HPHT kræver dog dyre forme og er uegnet til storskalaproduktion.
Cubic presse
(1)Smelteinfiltration
Smeltet Cu trænger ind i diamantpræforme via trykassisteret eller kapillærdrevet infiltration. De resulterende kompositter opnår en varmeledningsevne på >446 W/(m·K).
(2)Gnistplasmasintring (SPS)
Pulserende strøm sintrer hurtigt blandede pulvere under tryk. Selvom det er effektivt, forringes SPS-ydeevnen ved diamantfraktioner >65 vol%.
Skematisk diagram over sintringssystemet for udladningsplasma
(5) Kold sprøjteaflejring
Pulvere accelereres og aflejres på substrater. Denne spirende metode står over for udfordringer inden for kontrol af overfladefinish og validering af termisk ydeevne.
03 Grænsefladeændring
Ved fremstilling af kompositmaterialer er den gensidige befugtning mellem komponenterne en nødvendig forudsætning for kompositprocessen og en vigtig faktor, der påvirker grænsefladestrukturen og grænsefladebindingstilstanden. Den ikke-befugtende tilstand ved grænsefladen mellem diamant og Cu fører til en meget høj termisk modstand i grænsefladen. Derfor er det meget vigtigt at udføre modifikationsforskning på grænsefladen mellem de to gennem forskellige tekniske midler. I øjeblikket er der primært to metoder til at forbedre grænsefladeproblemet mellem diamant og Cu-matrix: (1) Overflademodifikationsbehandling af diamant; (2) Legeringsbehandling af kobbermatrixen.
Ændringsdiagram: (a) Direkte plettering på diamantoverfladen; (b) Matrixlegering
(1) Overflademodifikation af diamant
Belægning af aktive elementer som Mo, Ti, W og Cr på overfladelaget af den forstærkende fase kan forbedre diamantens grænsefladeegenskaber og derved øge dens varmeledningsevne. Sintring kan gøre det muligt for ovenstående elementer at reagere med kulstoffet på overfladen af diamantpulveret og danne et overgangslag af hårdmetal. Dette optimerer befugtningstilstanden mellem diamanten og metalbasen, og belægningen kan forhindre diamantens struktur i at ændre sig ved høje temperaturer.
(2) Legering af kobbermatrixen
Før kompositbearbejdning af materialer udføres forlegeringsbehandling på metallisk kobber, hvilket kan producere kompositmaterialer med generelt høj varmeledningsevne. Dotering af aktive elementer i kobbermatrixen kan ikke kun effektivt reducere befugtningsvinklen mellem diamant og kobber, men også generere et hårdmetallag, der er fast og opløseligt i kobbermatrixen ved diamant/Cu-grænsefladen efter reaktionen. På denne måde modificeres og udfyldes de fleste af de huller, der findes ved materialegrænsefladen, hvorved varmeledningsevnen forbedres.
04 Konklusion
Konventionelle emballagematerialer er utilstrækkelige til at håndtere varme fra avancerede chips. Dia/Cu-kompositter med justerbar CTE og ultrahøj varmeledningsevne repræsenterer en transformerende løsning til næste generations elektronik.
Som en højteknologisk virksomhed, der integrerer industri og handel, fokuserer XKH på forskning, udvikling og produktion af diamant-/kobberkompositter og højtydende metalmatrixkompositter såsom SiC/Al og Gr/Cu. Vi leverer innovative termiske styringsløsninger med en termisk ledningsevne på over 900 W/(m·K) til elektronisk pakning, effektmoduler og luftfart.
XKH'Diamantkobberbelagt laminatkompositmateriale:
Udsendelsestidspunkt: 12. maj 2025