С 1980-х годов плотность интеграции электронных схем увеличивается с ежегодной скоростью 1,5× или быстрее. Более высокая интеграция приводит к большей плотности тока и выделению тепла во время работы.Если не отводить это тепло эффективно, оно может привести к тепловому отказу и сократить срок службы электронных компонентов.
Для удовлетворения растущих требований к терморегулированию ведутся активные исследования и оптимизация современных электронных упаковочных материалов с превосходной теплопроводностью.
Композитный материал алмаз/медь
01 Алмаз и медь
Традиционные упаковочные материалы включают керамику, пластик, металлы и их сплавы. Керамика, такая как BeO и AlN, демонстрирует КТР, соответствующий полупроводникам, хорошую химическую стабильность и умеренную теплопроводность. Однако их сложная обработка, высокая стоимость (особенно токсичный BeO) и хрупкость ограничивают применение. Пластиковая упаковка обеспечивает низкую стоимость, легкий вес и изоляцию, но страдает от плохой теплопроводности и нестабильности при высоких температурах. Чистые металлы (Cu, Ag, Al) имеют высокую теплопроводность, но чрезмерный КТР, в то время как сплавы (Cu-W, Cu-Mo) ухудшают тепловые характеристики. Таким образом, срочно необходимы новые упаковочные материалы, сочетающие высокую теплопроводность и оптимальный КТР.
| Укрепление | Теплопроводность (Вт/(м·К)) | КТР (×10⁻⁶/℃) | Плотность (г/см³) |
| Алмазный | 700–2000 | 0,9–1,7 | 3.52 |
| Частицы BeO | 300 | 4.1 | 3.01 |
| Частицы AlN | 150–250 | 2.69 | 3.26 |
| Частицы SiC | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| Частицы B₄C | 29–67 | 4.4 | 2.52 |
| Борное волокно | 40 | ~5.0 | 2.6 |
| Частицы TiC | 40 | 7.4 | 4.92 |
| Частицы Al₂O₃ | 20–40 | 4.4 | 3.98 |
| SiC-усы | 32 | 3.4 | – |
| Частицы Si₃N₄ | 28 | 1.44 | 3.18 |
| Частицы TiB₂ | 25 | 4.6 | 4.5 |
| Частицы SiO₂ | 1.4 | <1.0 | 2.65 |
Алмазный, самый твердый из известных природных материалов (по шкале Мооса 10), также обладает исключительнымитеплопроводность (200–2200 Вт/(м·К)).
Алмазный микропорошок
Медь, с высокая тепло-/электропроводность (401 Вт/(м·К)), пластичность и экономическая эффективность широко используются в ИС.
Объединяя эти свойства,композиты алмаз/медь (Dia/Cu)— с медью в качестве матрицы и алмазом в качестве армирования — становятся материалами нового поколения для терморегулирования.
02 Основные методы изготовления
К распространенным методам получения алмаза/меди относятся: порошковая металлургия, метод высоких температур и давлений, метод погружения в расплав, метод разрядно-плазменного спекания, метод холодного напыления и т. д.
Сравнение различных методов приготовления, процессов и свойств композитов алмаз/медь с одним размером частиц
| Параметр | Порошковая металлургия | Вакуумное горячее прессование | Искровое плазменное спекание (ИПС) | Высокое давление и высокая температура (HPHT) | Холодное напыление | Инфильтрация расплава |
| Тип алмаза | МБД8 | HFD-D | МБД8 | МБД4 | КПК | MBD8/HHD |
| Матрица | 99,8% медный порошок | 99,9% электролитический порошок Cu | 99,9% медный порошок | Сплав/чистый порошок Cu | Чистый порошок меди | Чистая медь оптом/прут |
| Модификация интерфейса | – | – | – | Бор, Титан, Кремний, Хром, Цирконий, Вольфрам, Молибден | – | – |
| Размер частиц (мкм) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Объемная доля (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| Температура (°С) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| Давление (МПа) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| Время (мин) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Относительная плотность (%) | 98,5 | 99,2–99,7 | – | – | – | 99,4–99,7 |
| Производительность | ||||||
| Оптимальная теплопроводность (Вт/(м·К)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
Общие методы изготовления композитов Dia/Cu включают:
(1)Порошковая металлургия
Смешанные порошки алмаза/Cu уплотняются и спекаются. Несмотря на экономическую эффективность и простоту, этот метод дает ограниченную плотность, неоднородные микроструктуры и ограниченные размеры образцов.
Sинтернирование блок
(1)Высокое давление и высокая температура (HPHT)
Используя многонаковальные прессы, расплавленная Cu проникает в алмазные решетки в экстремальных условиях, производя плотные композиты. Однако HPHT требует дорогостоящих форм и не подходит для крупномасштабного производства.
Cubic пресс
(1)Инфильтрация расплава
Расплавленная медь проникает в алмазные заготовки посредством инфильтрации под давлением или капиллярной инфильтрации. Полученные композиты достигают теплопроводности >446 Вт/(м·К).
(2)Искровое плазменное спекание (ИПС)
Импульсный ток быстро спекает смешанные порошки под давлением. Несмотря на эффективность, производительность SPS ухудшается при алмазных фракциях >65 об.%.
Принципиальная схема системы разрядно-плазменного спекания
(5) Холодное напыление
Порошки ускоряются и наносятся на подложки. Этот зарождающийся метод сталкивается с проблемами контроля качества поверхности и проверки тепловых характеристик.
03 Модификация интерфейса
Для приготовления композитных материалов взаимное смачивание между компонентами является необходимой предпосылкой для композитного процесса и важным фактором, влияющим на структуру интерфейса и состояние связи интерфейса. Условие несмачивания на интерфейсе между алмазом и Cu приводит к очень высокому термическому сопротивлению интерфейса. Поэтому очень важно проводить исследования модификации интерфейса между ними с помощью различных технических средств. В настоящее время существует в основном два метода улучшения проблемы интерфейса между алмазом и матрицей Cu: (1) Обработка модификации поверхности алмаза; (2) Легирующая обработка медной матрицы.
Схематическая диаграмма модификации: (а) Прямое нанесение покрытия на поверхность алмаза; (б) Матричное легирование
(1) Поверхностная модификация алмаза
Нанесение активных элементов, таких как Mo, Ti, W и Cr, на поверхностный слой армирующей фазы может улучшить межфазные характеристики алмаза, тем самым повышая его теплопроводность. Спекание может позволить вышеуказанным элементам реагировать с углеродом на поверхности алмазного порошка с образованием переходного слоя карбида. Это оптимизирует смачивающее состояние между алмазом и металлической основой, а покрытие может предотвратить изменение структуры алмаза при высоких температурах.
(2) Легирование медной матрицы
Перед композитной обработкой материалов проводится предварительная легирующая обработка металлической меди, которая может производить композитные материалы с высокой теплопроводностью. Легирование активными элементами в медной матрице может не только эффективно уменьшить угол смачивания между алмазом и медью, но и создать карбидный слой, который является твердорастворимым в медной матрице на границе раздела алмаз/Cu после реакции. Таким образом, большинство зазоров, существующих на границе раздела материалов, модифицируются и заполняются, тем самым улучшая теплопроводность.
04 Заключение
Традиционные упаковочные материалы не справляются с отводом тепла от современных чипов. Композиты Dia/Cu с регулируемым КТР и сверхвысокой теплопроводностью представляют собой преобразующее решение для электроники следующего поколения.
Будучи высокотехнологичным предприятием, объединяющим промышленность и торговлю, XKH специализируется на исследованиях, разработках и производстве композитов на основе алмаза и меди, а также высокопроизводительных композитов с металлической матрицей, таких как SiC/Al и Gr/Cu, предлагая инновационные решения по терморегулированию с теплопроводностью более 900 Вт/(м·К) для областей электронной упаковки, силовых модулей и аэрокосмической промышленности.
XКХ's Композитный материал с покрытием из алмазной меди:
Время публикации: 12 мая 2025 г.