От 80-те години на миналия век плътността на интеграция на електронните схеми се увеличава с годишен темп от 1,5 пъти или по-бързо. По-високата интеграция води до по-голяма плътност на тока и генериране на топлина по време на работа.Ако не се разсейва ефективно, тази топлина може да причини термична повреда и да намали живота на електронните компоненти.
За да се отговори на нарастващите изисквания за управление на температурата, се провеждат обширни изследвания и оптимизации на усъвършенствани материали за електронни опаковки с превъзходна топлопроводимост.
Диамантено-меден композитен материал
01 Диамант и мед
Традиционните опаковъчни материали включват керамика, пластмаси, метали и техните сплави. Керамика като BeO и AlN показва КТР, съответстващи на полупроводниците, добра химическа стабилност и умерена топлопроводимост. Въпреки това, сложната им обработка, високата цена (особено токсичния BeO) и крехкостта им ограничават приложенията им. Пластмасовите опаковки предлагат ниска цена, леко тегло и изолация, но страдат от лоша топлопроводимост и нестабилност при високи температури. Чистите метали (Cu, Ag, Al) имат висока топлопроводимост, но висок КТР, докато сплавите (Cu-W, Cu-Mo) компрометират термичните характеристики. Поради това са спешно необходими нови опаковъчни материали, балансиращи висока топлопроводимост и оптимален КТР.
| Армировка | Топлопроводимост (W/(m·K)) | КТР (×10⁻⁶/℃) | Плътност (г/см³) |
| Диамант | 700–2000 | 0,9–1,7 | 3.52 |
| Частици BeO | 300 | 4.1 | 3.01 |
| AlN частици | 150–250 | 2.69 | 3.26 |
| SiC частици | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| B₄C частици | 29–67 | 4.4 | 2.52 |
| Борови влакна | 40 | ~5.0 | 2.6 |
| TiC частици | 40 | 7.4 | 4.92 |
| Al₂O₃ частици | 20–40 | 4.4 | 3.98 |
| SiC нишки | 32 | 3.4 | – |
| Si₃N₄ частици | 28 | 1.44 | 3.18 |
| TiB₂ частици | 25 | 4.6 | 4.5 |
| SiO₂ частици | 1.4 | <1.0 | 2.65 |
Диамант, най-твърдият известен естествен материал (Mohs 10), също притежава изключителнитоплопроводимост (200–2200 W/(m·K)).
Диамантен микропрах
Мед, с висока топло/електрическа проводимост (401 W/(m·K)), пластичност и икономическа ефективност, се използва широко в интегралните схеми.
Комбинирайки тези свойства,диамант/мед (Dia/Cu) композити— с мед (Cu) като матрица и диамант като армировка — се очертават като материали за термичен контрол от следващо поколение.
02 Ключови методи за производство
Често срещаните методи за получаване на диамант/мед включват: прахова металургия, метод за висока температура и високо налягане, метод за потапяне в стопилка, метод за плазмено синтероване с разряд, метод за студено пръскане и др.
Сравнение на различни методи за получаване, процеси и свойства на диамантено-медни композити с единични размери на частиците
| Параметър | Прахова металургия | Вакуумно горещо пресоване | Искрово плазмено синтероване (SPS) | Високо налягане и висока температура (HPHT) | Студено напръскване | Инфилтрация на стопилка |
| Тип диамант | МБД8 | HFD-D | МБД8 | МБД4 | ПДА | MBD8/HHD |
| Матрица | 99,8% меден прах | 99,9% електролитен меден прах | 99,9% меден прах | Сплав/чист меден прах | Чист меден прах | Чиста мед насипно/прът |
| Модификация на интерфейса | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Размер на частиците (μm) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Обемна фракция (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| Температура (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 г. | 350 | 1100–1300 г. |
| Налягане (MPa) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| Време (мин) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Относителна плътност (%) | 98,5 | 99,2–99,7 | – | – | – | 99,4–99,7 |
| Производителност | ||||||
| Оптимална топлопроводимост (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
Общите Dia/Cu композитни техники включват:
(1)Прахова металургия
Смесени диамантени/медни прахове се компактират и синтероват. Макар и рентабилен и прост, този метод води до ограничена плътност, нееднородни микроструктури и ограничени размери на пробите.
Sинтеринг единица
(1)Високо налягане и висока температура (HPHT)
С помощта на преси с множество наковални, разтопената мед (Cu) инфилтрира диамантени решетки при екстремни условия, произвеждайки плътни композити. HPHT (високоефективна термообработка) обаче изисква скъпи форми и е неподходяща за мащабно производство.
Cubic press
(1)Инфилтрация на стопилка
Разтопена мед (Cu) прониква в диамантените заготовки чрез инфилтрация под налягане или капилярно задвижвана. Получените композити постигат топлопроводимост >446 W/(m·K).
(2)Искрово плазмено синтероване (SPS)
Импулсният ток бързо синтерова смесени прахове под налягане. Въпреки че е ефективен, производителността на SPS се влошава при диамантени фракции >65 об.%.
Схематична диаграма на системата за плазмено синтероване чрез разряд
(5) Студено напръскване
Праховете се ускоряват и отлагат върху основите. Този нововъзникващ метод е изправен пред предизвикателства при контрола на повърхностната обработка и валидирането на термичните характеристики.
03 Модификация на интерфейса
За приготвянето на композитни материали, взаимното омокряне между компонентите е необходима предпоставка за композитния процес и важен фактор, влияещ върху структурата на интерфейса и състоянието на свързване на интерфейса. Условието на липса на омокряне на интерфейса между диамант и мед (Cu) води до много високо термично съпротивление на интерфейса. Следователно е изключително важно да се проведат изследвания за модификация на интерфейса между двете чрез различни технически средства. Понастоящем съществуват основно два метода за подобряване на проблема с интерфейса между диамант и медна матрица: (1) Модифициране на повърхността на диаманта; (2) Легираща обработка на медната матрица.
Схематична диаграма на модификацията: (а) Директно нанасяне на покритие върху повърхността на диаманта; (б) Матрично легиране
(1) Повърхностна модификация на диаманта
Нанасянето на активни елементи като Mo, Ti, W и Cr върху повърхностния слой на подсилващата фаза може да подобри междуфазовите характеристики на диаманта, като по този начин повиши неговата топлопроводимост. Синтероването може да позволи на гореспоменатите елементи да реагират с въглерода на повърхността на диамантения прах, за да образуват карбидния преходен слой. Това оптимизира състоянието на омокряне между диаманта и металната основа, а покритието може да предотврати промяната на структурата на диаманта при високи температури.
(2) Легиране на медната матрица
Преди композитната обработка на материалите, върху металната мед се извършва предварителна легираща обработка, което може да доведе до композитни материали с висока топлопроводимост. Добавянето на активни елементи в медната матрица може не само ефективно да намали ъгъла на омокряне между диаманта и медта, но и да генерира карбидния слой, който е твърдо разтворим в медната матрица на границата диамант/мед след реакцията. По този начин повечето от съществуващите празнини на границата на материала се модифицират и запълват, като по този начин се подобрява топлопроводимостта.
04 Заключение
Конвенционалните опаковъчни материали не успяват да управляват топлината от съвременните чипове. Dia/Cu композитите, с регулируем CTE и ултрависока топлопроводимост, представляват трансформативно решение за електрониката от следващо поколение.
Като високотехнологично предприятие, интегриращо индустрията и търговията, XKH се фокусира върху научноизследователската, развойна и производствена дейност на диамантено-медни композити и високоефективни металоматрични композити като SiC/Al и Gr/Cu, предоставяйки иновативни решения за управление на топлината с топлопроводимост над 900 W/(m·K) за областите на електронните опаковки, силовите модули и аерокосмическата индустрия.
XKH„Композитен материал от ламинат с диамантено медно покритие:
Време на публикуване: 12 май 2025 г.