С 1980-х годов плотность интеграции электронных схем ежегодно увеличивается в 1,5 раза и более. Более высокая степень интеграции приводит к увеличению плотности тока и тепловыделения во время работы.Если тепло не рассеивать эффективно, оно может привести к тепловому отказу и сократить срок службы электронных компонентов.
Чтобы удовлетворить растущие требования 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, пластики, металлы и их сплавы. Керамика, такая как BeO и AlN, обладает КТР, сопоставимым с полупроводниками, хорошей химической стабильностью и умеренной теплопроводностью. Однако сложность их обработки, высокая стоимость (особенно токсичность BeO) и хрупкость ограничивают их применение. Пластиковая упаковка отличается низкой стоимостью, лёгкостью и хорошими теплоизоляционными свойствами, но страдает от низкой теплопроводности и нестабильности при высоких температурах. Чистые металлы (Cu, Ag, Al) обладают высокой теплопроводностью, но высоким КТР, в то время как сплавы (Cu-W, Cu-Mo) снижают тепловые характеристики. Таким образом, остро необходимы новые упаковочные материалы, сочетающие высокую теплопроводность и оптимальный КТР.
| Укрепление | Теплопроводность (Вт/(м·К)) | КТР (×10⁻⁶/℃) | Плотность (г/см³) |
| Алмаз | 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 |
Алмаз, самый твердый из известных природных материалов (твердость 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 армирующего элемента — становятся материалами для терморегулирования нового поколения.
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 распыления и т. д.
Сравнение различных методов, процессов и свойств композитов алмаз/медь с одинарным 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 меди | 99,9% медный порошок | Сплав/чистый медный порошок | Чистый медный порошок | Чистая медь оптом/пруток |
| Модификация интерфейса | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| 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 алмазно-медные порошки прессуются и спекаются. Несмотря на экономичность и простоту, этот метод даёт ограниченную плотность, неоднородную микроструктуру и ограниченные размеры образцов.
Sинтернирующий блок
(1)Высокое давление и высокая температура (HPHT)
В многопуансонных прессах расплавленная медь проникает в алмазные решетки в экстремальных условиях, образуя плотные композиты. Однако метод HPHT требует дорогостоящих пресс-форм и не подходит для крупномасштабного производства.
Cubic press
(1)Инфильтрация расплава
Расплавленная медь проникает в алмазные заготовки посредством инфильтрации под давлением или капиллярным способом. Получающиеся композиты достигают теплопроводности более 446 Вт/(м·К).
(2)Искровое плазменное спекание (ИПС)
Импульсный ток быстро спекает смешанные порошки под давлением. Несмотря на эффективность, производительность SPS снижается при содержании алмазов более 65 об.%.
Принципиальная схема системы разрядно-плазменного спекания
(5) Холодное напыление
Порошки разгоняются и наносятся на подложки. Этот новый метод сталкивается с трудностями контроля качества поверхности и проверки тепловых характеристик.
03 Модификация интерфейса
При получении композиционных материалов взаимное смачивание компонентов является необходимым условием для процесса композитизации и важным фактором, влияющим на структуру интерфейса и состояние связи между ними. Отсутствие смачивания на интерфейсе между алмазом и медью приводит к очень высокому термическому сопротивлению интерфейса. Поэтому крайне важно проводить исследования модификации интерфейса между ними различными техническими средствами. В настоящее время существует два основных метода улучшения проблемы интерфейса между алмазом и медной матрицей: (1) модификация поверхности алмаза; (2) легирование медной матрицы.
Схема 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 позволяет улучшить межфазные характеристики алмаза, тем самым повышая его теплопроводность. Спекание позволяет этим элементам вступать в реакцию с углеродом на поверхности алмазного порошка с образованием карбидного переходного слоя. Это оптимизирует смачивание алмаза металлической основой, а покрытие предотвращает изменение структуры алмаза при высоких температурах.
(2) Легирование медной матрицы
Перед композиционной обработкой материалов металлическая медь подвергается предварительному легированию, что позволяет получать композиционные материалы, обладающие, как правило, высокой теплопроводностью. Легирование активными элементами медной матрицы позволяет не только эффективно уменьшить угол смачивания между алмазом и медью, но и сформировать после реакции слой карбида, растворимого в медной матрице на границе раздела алмаз/Cu. Таким образом, модифицируется и заполняется большая часть зазоров на границе раздела материалов, что улучшает теплопроводность.
04 Заключение
Традиционные упаковочные материалы не справляются с отводом тепла от современных микросхем. Композиты Dia/Cu с регулируемым КТР и сверхвысокой теплопроводностью представляют собой революционное решение для электроники нового поколения.
Будучи высокотехнологичным предприятием, интегрирующим промышленность и торговлю, XKH фокусируется на исследованиях, разработках и производстве композитов на основе алмаза и меди, а также высокопроизводительных композитов на основе металлической матрицы, таких как SiC/Al и Gr/Cu, предлагая инновационные решения по терморегулированию с теплопроводностью более 900 Вт/(м·К) для сферы электронной упаковки, силовых модулей и аэрокосмической промышленности.
XKH'Композитный материал с покрытием из меди и алмаза:
Время публикации: 12 мая 2025 г.