З 1980-х років щільність інтеграції електронних схем зростає щорічно в 1,5 раза або швидше. Вища інтеграція призводить до більшої щільності струму та виділення тепла під час роботи.Якщо це тепло не розсіюється ефективно, воно може спричинити теплову поломку та скоротити термін служби електронних компонентів.
Щоб задовольнити зростаючі вимоги до терморегуляції, ведуться ретельні дослідження та оптимізація передових матеріалів для електронної упаковки з чудовою теплопровідністю.
Алмазно-мідний композитний матеріал
01 Діамант та мідь
Традиційні пакувальні матеріали включають кераміку, пластмаси, метали та їх сплави. Кераміка, така як BeO та AlN, демонструє КТР, що відповідає напівпровідникам, добру хімічну стабільність та помірну теплопровідність. Однак їх складна обробка, висока вартість (особливо токсичний BeO) та крихкість обмежують їх застосування. Пластикова упаковка пропонує низьку вартість, легку вагу та ізоляцію, але страждає від поганої теплопровідності та нестабільності при високих температурах. Чисті метали (Cu, Ag, Al) мають високу теплопровідність, але надмірний КТР, тоді як сплави (Cu-W, Cu-Mo) погіршують теплові характеристики. Таким чином, терміново потрібні нові пакувальні матеріали, що балансують між високою теплопровідністю та оптимальним КТР.
| Армування | Теплопровідність (Вт/(м·K)) | КТР (×10⁻⁶/℃) | Густина (г/см³) |
| Діамант | 700–2000 | 0,9–1,7 | 3.52 |
| Частинки BeO | 300 | 4.1 | 3.01 |
| Частинки AlN | 150–250 | 2.69 | 3.26 |
| Частинки SiC | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| Частинки B₄C | 29–67 | 4.4 | 2.52 |
| Борове волокно | 40 | ~5.0 | 2.6 |
| Частинки TiC | 40 | 7.4 | 4.92 |
| Частинки Al₂O₃ | 20–40 | 4.4 | 3.98 |
| нитки SiC | 32 | 3.4 | – |
| Частинки Si₃N₄ | 28 | 1.44 | 3.18 |
| Частинки TiB₂ | 25 | 4.6 | 4.5 |
| Частинки SiO₂ | 1.4 | <1,0 | 2.65 |
Діамант, найтвердіший з відомих природних матеріалів (за шкалою Мооса 10), також має винятковітеплопровідність (200–2200 Вт/(м·K)).
Алмазний мікропорошок
Мідь, з висока тепло/електропровідність (401 Вт/(м·K)), пластичність та економічна ефективність, широко використовується в інтегральних схемах.
Поєднуючи ці властивості,композити алмаз/мідь (Dia/Cu).— з міддю як матрицею та алмазом як армуючим елементом — стають матеріалами наступного покоління для терморегуляції.
02 Ключові методи виготовлення
До поширених методів отримання алмазу/міді належать: порошкова металургія, метод високої температури та високого тиску, метод занурення в розплав, метод плазмового спікання, метод холодного напилення тощо.
Порівняння різних методів отримання, процесів та властивостей алмазно-мідних композитів з одночастинковим розміром
| Параметр | Порошкова металургія | Вакуумне гаряче пресування | Іскрове плазмове спікання (SPS) | Високотискний та високотемпературний (HPHT) | Холодне розпилення | Інфільтрація розплаву |
| Тип діаманта | МБД8 | HFD-D | МБД8 | МБД4 | КПК | MBD8/HHD |
| Матриця | 99,8% мідного порошку | 99,9% електролітичний порошок міді | 99,9% мідного порошку | Сплав/чистий порошок міді | Чистий порошок міді | Чиста мідь насипом/стрижнем |
| Модифікація інтерфейсу | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Розмір частинок (мкм) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Об'ємна частка (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| Температура (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| Тиск (МПа) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| Час (хв) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Відносна щільність (%) | 98,5 | 99,2–99,7 | – | – | – | 99,4–99,7 |
| Продуктивність | ||||||
| Оптимальна теплопровідність (Вт/(м·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
Загальні методи композиту Dia/Cu включають:
(1)Порошкова металургія
Змішані алмазно-мідні порошки ущільнюються та спікаються. Хоча цей метод є економічно ефективним та простим, він призводить до обмеженої щільності, неоднорідних мікроструктур та обмежених розмірів зразків.
Sінтерлінговий блок
(1)Високотискний та високотемпературний (HPHT)
За допомогою багатошарових пресів розплавлена мідь проникає в алмазні решітки за екстремальних умов, утворюючи щільні композити. Однак високопродуктивне термооброблення (HPHT) вимагає дорогих форм і непридатне для великомасштабного виробництва.
Cubic press
(1)Інфільтрація розплаву
Розплавлена мідь проникає в алмазні заготовки шляхом інфільтрації під тиском або капілярним шляхом. Отримані композити досягають теплопровідності >446 Вт/(м·K).
(2)Іскрове плазмове спікання (SPS)
Імпульсний струм швидко спікає змішані порошки під тиском. Хоча ефективність підсилювального плазмового пресування (ППС) знижується при частці алмазів >65 об.%.
Принципова схема системи плазмового спікання розрядом
(5) Холодне напилення
Порошки прискорюються та наносяться на підкладки. Цей новий метод стикається з труднощами в контролі обробки поверхні та перевірці теплових характеристик.
03 Модифікація інтерфейсу
Для приготування композитних матеріалів взаємне змочування між компонентами є необхідною передумовою для процесу композитування та важливим фактором, що впливає на структуру інтерфейсу та стан зв'язку на інтерфейсі. Умови відсутності змочування на межі розділу між алмазом та міддю призводять до дуже високого термічного опору на межі розділу. Тому дуже важливо проводити дослідження модифікації межі розділу між ними за допомогою різних технічних засобів. Наразі існує два основних методи покращення проблеми інтерфейсу між алмазом та матрицею міді: (1) Модифікація поверхні алмазу; (2) Легувальна обробка мідної матриці.
Схема модифікації: (a) Пряме покриття поверхні алмазу; (b) Матричне легування
(1) Модифікація поверхні алмазу
Нанесення активних елементів, таких як Mo, Ti, W та Cr, на поверхневий шар армуючої фази може покращити міжфазні характеристики алмазу, тим самим підвищуючи його теплопровідність. Спікання може дозволити вищезазначеним елементам реагувати з вуглецем на поверхні алмазного порошку, утворюючи перехідний карбідний шар. Це оптимізує стан змочування між алмазом та металевою основою, а покриття може запобігти зміні структури алмазу за високих температур.
(2) Легування мідної матриці
Перед композитною обробкою матеріалів металеву мідь піддають попередньому легуванню, що дозволяє створювати композитні матеріали із загалом високою теплопровідністю. Легування активними елементами в мідній матриці може не тільки ефективно зменшити кут змочування між алмазом і міддю, але й створити карбідний шар, який є твердорозчинним у мідній матриці на межі розділу алмаз/мідь після реакції. Таким чином, більшість зазорів, що існують на межі розділу матеріалів, модифікуються та заповнюються, тим самим покращуючи теплопровідність.
04 Висновок
Традиційні пакувальні матеріали не справляються з теплом, що відводиться від сучасних мікросхем. Композити Dia/Cu з регульованим коефіцієнтом теплової експозиції (CTE) та надвисокою теплопровідністю являють собою трансформаційне рішення для електроніки наступного покоління.
Як високотехнологічне підприємство, що інтегрує промисловість і торгівлю, XKH зосереджується на дослідженнях, розробках і виробництві алмазно-мідних композитів і високопродуктивних металоматричних композитів, таких як SiC/Al та Gr/Cu, пропонуючи інноваційні рішення для терморегуляції з теплопровідністю понад 900 Вт/(м·K) для галузей електронної упаковки, силових модулів та аерокосмічної галузі.
XKH'Композитний матеріал з ламінованого мідного покриття з алмазів:
Час публікації: 12 травня 2025 р.