Начиная с 1980-х годов, плотность интеграции электронных схем увеличивается в 1,5 раза и более в год. Более высокая степень интеграции приводит к большей плотности тока и выделению тепла во время работы.Если тепло не рассеивается эффективно, это может привести к тепловому отказу и сократить срок службы электронных компонентов.
Для удовлетворения растущих требований к тепловому регулированию активно ведутся исследования и оптимизация передовых материалов для электронной упаковки с превосходной теплопроводностью.
Композитный материал из алмаза и меди
01 Алмаз и медь
Традиционные упаковочные материалы включают керамику, пластмассы, металлы и их сплавы. Керамика, такая как BeO и AlN, обладает коэффициентами теплового расширения, сопоставимыми с полупроводниками, хорошей химической стабильностью и умеренной теплопроводностью. Однако сложность обработки, высокая стоимость (особенно токсичный BeO) и хрупкость ограничивают ее применение. Пластиковая упаковка отличается низкой стоимостью, малым весом и теплоизоляцией, но страдает от низкой теплопроводности и нестабильности при высоких температурах. Чистые металлы (Cu, Ag, Al) обладают высокой теплопроводностью, но чрезмерным коэффициентом теплового расширения, в то время как сплавы (Cu-W, Cu-Mo) ухудшают тепловые характеристики. Таким образом, срочно необходимы новые упаковочные материалы, обеспечивающие баланс между высокой теплопроводностью и оптимальным коэффициентом теплового расширения.
| Усиление | Теплопроводность (Вт/(м·К)) | КТР (×10⁻⁶/℃) | Плотность (г/см³) |
| Бриллиант | 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 |
| Боровое волокно | 40 | ~5.0 | 2.6 |
| частицы TiC | 40 | 7.4 | 4.92 |
| частицы Al₂O₃ | 20–40 | 4.4 | 3.98 |
| SiC-нитевидные кристаллы | 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 |
БриллиантТвердый природный материал (по шкале Мооса 10) также обладает исключительными свойствами.теплопроводность (200–2200 Вт/(м·К)).
Алмазный микропорошок
Медь, с высокая тепловая/электрическая проводимость (401 Вт/(м·К))Пластичность и экономичность делают его широко используемым в интегральных схемах.
Сочетание этих свойств,композиты алмаз/медь (Dia/Cu)Материалы, в которых в качестве матрицы используется медь, а в качестве армирующего материала — алмаз, становятся материалами нового поколения для терморегулирования.
02 Ключевые методы изготовления
К распространенным методам получения алмазов/меди относятся: порошковая металлургия, высокотемпературный и высокодавленный метод, метод погружения в расплав, метод плазменного спекания, метод холодного напыления и др.
Сравнение различных методов, процессов и свойств получения композитов из алмаза и меди с однородным размером частиц.
| Параметр | Порошковая металлургия | Вакуумное горячее прессование | Искровое плазменное спекание (ИПС) | Высокое давление и высокая температура (HPHT) | Напыление холодным методом | Пропитка расплавом |
| Тип алмаза | МБД8 | HFD-D | МБД8 | МБД4 | КПК | MBD8/HHD |
| Матрица | Порошок меди 99,8% | 99,9% электролитический порошок меди | Порошок меди 99,9% | Порошок сплава/чистой меди | Порошок чистой меди | Чистая медь в виде стержня/навалом |
| 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 (°C) | 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 и меди прессуются и спекаются. Несмотря на свою экономичность и простоту, этот метод позволяет получить образцы с ограниченной плотностью, неоднородной микроструктурой и ограниченными размерами.
Sинтернированный блок
(1)Высокое давление и высокая температура (HPHT)
Используя многонаковальные прессы, расплавленная медь проникает в алмазные решетки в экстремальных условиях, образуя плотные композиты. Однако технология HPHT требует дорогостоящих форм и непригодна для крупномасштабного производства.
Cпубличная пресса
(1)Пропитка расплавом
Расплавленная медь проникает в алмазные заготовки под действием давления или капиллярного эффекта. Полученные композиты обладают теплопроводностью >446 Вт/(м·К).
(2)Искровое плазменное спекание (ИПС)
Импульсный ток быстро спекает смешанные порошки под давлением. Несмотря на свою эффективность, производительность SPS снижается при содержании алмазов >65 об.%.
Схема системы плазменного спекания.
(5) Нанесение методом холодного распыления
Порошки ускоряются и наносятся на подложки. Этот новый метод сталкивается с проблемами в контроле качества поверхности и проверке тепловых характеристик.
03 Модификация интерфейса
Для получения композитных материалов взаимное смачивание между компонентами является необходимым условием процесса композитирования и важным фактором, влияющим на структуру границы раздела и состояние сцепления на ней. Несмачивание на границе раздела между алмазом и медью приводит к очень высокому термическому сопротивлению на границе раздела. Поэтому крайне важно проводить исследования по модификации границы раздела между ними с помощью различных технических средств. В настоящее время существует два основных метода улучшения проблемы границы раздела между алмазом и медной матрицей: (1) модификация поверхности алмаза; (2) легирование медной матрицы.
Схема модификации: (а) Прямое нанесение покрытия на поверхность алмаза; (б) Легирование матрицы.
(1) Модификация поверхности алмаза
Нанесение активных элементов, таких как Mo, Ti, W и Cr, на поверхностный слой упрочняющей фазы может улучшить межфазные характеристики алмаза, тем самым повысив его теплопроводность. Спекание позволяет указанным элементам реагировать с углеродом на поверхности алмазного порошка, образуя карбидный переходный слой. Это оптимизирует состояние смачивания между алмазом и металлической основой, а покрытие предотвращает изменение структуры алмаза при высоких температурах.
(2) Легирование медной матрицы
Перед обработкой композитных материалов проводится предварительная легирующая обработка металлической меди, что позволяет получить композитные материалы с высокой теплопроводностью. Легирование активными элементами медной матрицы не только эффективно снижает угол смачивания между алмазом и медью, но и образует после реакции слой карбида, растворимый в твердом состоянии в медной матрице на границе раздела алмаз/медь. Таким образом, большинство зазоров, существующих на границе раздела материалов, модифицируются и заполняются, что повышает теплопроводность.
04 Заключение
Традиционные упаковочные материалы не справляются с отводом тепла от современных микросхем. Композиты Dia/Cu с регулируемым коэффициентом теплового расширения и сверхвысокой теплопроводностью представляют собой революционное решение для электроники следующего поколения.
Компания XKH, являясь высокотехнологичным предприятием, объединяющим промышленность и торговлю, специализируется на исследованиях, разработке и производстве алмазно-медных композитов и высокоэффективных металломатричных композитов, таких как SiC/Al и Gr/Cu, предлагая инновационные решения в области терморегулирования с теплопроводностью более 900 Вт/(м·К) для электронной упаковки, силовых модулей и аэрокосмической отрасли.
XKH's. Композитный материал на основе ламината с алмазным медным покрытием:
Дата публикации: 12 мая 2025 г.