Siden 1980-tallet har integrasjonstettheten til elektroniske kretser økt med en årlig hastighet på 1,5 ganger eller raskere. Høyere integrasjon fører til større strømtettheter og varmeutvikling under drift.Hvis varmen ikke avledes effektivt, kan den forårsake termisk svikt og redusere levetiden til elektroniske komponenter.
For å møte de økende kravene til termisk styring, forskes og optimaliseres avanserte elektroniske pakkematerialer med overlegen termisk ledningsevne grundig.
Diamant/kobber-komposittmateriale
01 Diamant og kobber
Tradisjonelle emballasjematerialer inkluderer keramikk, plast, metaller og legeringer av disse. Keramikk som BeO2 og AlN har CTE-er som tilsvarer halvledere, god kjemisk stabilitet og moderat varmeledningsevne. Imidlertid begrenser deres komplekse prosessering, høye kostnader (spesielt giftig BeO2) og sprøhet bruksområdene. Plastemballasje tilbyr lav kostnad, lett vekt og isolasjon, men lider av dårlig varmeledningsevne og ustabilitet ved høy temperatur. Rene metaller (Cu, Ag, Al) har høy varmeledningsevne, men overdreven CTE, mens legeringer (Cu-W, Cu-Mo) kompromitterer den termiske ytelsen. Derfor er det et presserende behov for nye emballasjematerialer som balanserer høy varmeledningsevne og optimal CTE.
| Forsterkning | Varmeledningsevne (W/(m·K)) | CTE (×10⁻⁶/℃) | Tetthet (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-hårstrå | 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 hardeste kjente naturmaterialet (Mohs 10), har også eksepsjonellvarmeledningsevne (200–2200 W/(m·K)).
Diamantmikropulver
Kopper, med høy termisk/elektrisk ledningsevne (401 W/(m·K)), duktilitet og kostnadseffektivitet, er mye brukt i IC-er.
Ved å kombinere disse egenskapene,diamant/kobber (Dia/Cu) kompositter– med Cu som matrise og diamant som forsterkning – dukker opp som neste generasjons varmestyringsmaterialer.
02 Viktige fabrikasjonsmetoder
Vanlige metodene for fremstilling av diamant/kobber inkluderer: pulvermetallurgi, høytemperatur- og høytrykksmetoden, smelteimmersionsmetode, plasmasintringsmetode med utladning, kaldsprøytemetode, etc.
Sammenligning av ulike fremstillingsmetoder, prosesser og egenskaper til diamant/kobber-kompositter med enkeltpartikkelstørrelse
| Parameter | Pulvermetallurgi | Vakuum varmpressing | Gnistplasmasintring (SPS) | Høytrykks- og høytemperatur (HPHT) | Kald sprayavsetning | Smelteinfiltrasjon |
| Diamanttype | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | PDA-en | MBD8/HHD |
| Matrise | 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 |
| Grensesnittmodifisering | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Partikkelstørrelse (μm) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Volumfraksjon (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| Temperatur (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| Trykk (MPa) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| Tid (min) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Relativ tetthet (%) | 98,5 | 99,2–99,7 | – | – | – | 99,4–99,7 |
| Ytelse | ||||||
| Optimal varmeledningsevne (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
Vanlige Dia/Cu komposittteknikker inkluderer:
(1)Pulvermetallurgi
Blandede diamant-/Cu-pulver komprimeres og sintres. Selv om denne metoden er kostnadseffektiv og enkel, gir den begrenset tetthet, inhomogene mikrostrukturer og begrensede prøvedimensjoner.
Smellomliggende enhet
(1)Høytrykks- og høytemperatur (HPHT)
Ved bruk av fleramboltpresser infiltrerer smeltet kobber diamantgitter under ekstreme forhold og produserer tette kompositter. HPHT krever imidlertid dyre former og er uegnet for storskalaproduksjon.
Cubic presse
(1)Smelteinfiltrasjon
Smeltet kobber trenger inn i diamantpreformer via trykkassistert eller kapillærdrevet infiltrasjon. De resulterende komposittene oppnår >446 W/(m·K) varmeledningsevne.
(2)Gnistplasmasintring (SPS)
Pulserende strøm sintrer raskt blandede pulver under trykk. Selv om det er effektivt, forringes SPS-ytelsen ved diamantfraksjoner >65 vol%.
Skjematisk diagram av sintringssystemet for utladningsplasma
(5) Kald sprøyteavsetning
Pulver akselereres og avsettes på underlag. Denne nye metoden står overfor utfordringer innen kontroll av overflatefinish og validering av termisk ytelse.
03 Grensesnittmodifisering
For fremstilling av komposittmaterialer er gjensidig fukting mellom komponentene en nødvendig forutsetning for komposittprosessen og en viktig faktor som påvirker grensesnittstrukturen og grensesnittbindingstilstanden. Den ikke-fuktende tilstanden ved grensesnittet mellom diamant og Cu fører til en svært høy termisk motstand i grensesnittet. Derfor er det svært viktig å utføre modifikasjonsforskning på grensesnittet mellom de to gjennom ulike tekniske metoder. For tiden finnes det hovedsakelig to metoder for å forbedre grensesnittproblemet mellom diamant og Cu-matrise: (1) Overflatemodifiseringsbehandling av diamant; (2) Legeringsbehandling av kobbermatrisen.
Modifikasjonsskjema: (a) Direkte plating på overflaten av diamant; (b) Matriselegering
(1) Overflatemodifisering av diamant
Plettering av aktive elementer som Mo, Ti, W og Cr på overflatelaget av forsterkningfasen kan forbedre grensesnittegenskapene til diamanten, og dermed øke dens varmeledningsevne. Sintring kan gjøre det mulig for elementene ovenfor å reagere med karbonet på overflaten av diamantpulveret for å danne et overgangslag av karbid. Dette optimaliserer fukttilstanden mellom diamanten og metallbasen, og belegget kan forhindre at diamantens struktur endres ved høye temperaturer.
(2) Legering av kobbermatrisen
Før komposittbearbeiding av materialer utføres forlegeringsbehandling på metallisk kobber, noe som kan produsere komposittmaterialer med generelt høy varmeledningsevne. Dopingsaktive elementer i kobbermatrisen kan ikke bare effektivt redusere fuktingsvinkelen mellom diamant og kobber, men også generere et karbidlag som er fast løselig i kobbermatrisen ved diamant/Cu-grensesnittet etter reaksjonen. På denne måten modifiseres og fylles de fleste hullene som finnes ved materialgrensesnittet, og forbedrer dermed varmeledningsevnen.
04 Konklusjon
Konvensjonelle emballasjematerialer er ikke gode nok til å håndtere varme fra avanserte brikker. Dia/Cu-kompositter, med justerbar CTE og ultrahøy varmeledningsevne, representerer en transformerende løsning for neste generasjons elektronikk.
Som en høyteknologisk bedrift som integrerer industri og handel, fokuserer XKH på forskning, utvikling og produksjon av diamant-/kobberkompositter og høyytelses metallmatrisekompositter som SiC/Al og Gr/Cu, og tilbyr innovative termiske styringsløsninger med termisk ledningsevne på over 900 W/(m·K) for elektronisk pakking, kraftmoduler og luftfart.
XKH'Diamantkobberbelagt laminatkomposittmateriale:
Publiseringstid: 12. mai 2025