Od 1980-ih, gustoća integracije elektronskih kola povećava se godišnjom stopom od 1,5× ili brže. Veća integracija dovodi do većih gustoća struje i stvaranja toplote tokom rada.Ako se ne rasprši efikasno, ova toplota može uzrokovati termalni kvar i smanjiti vijek trajanja elektronskih komponenti.
Kako bi se zadovoljili rastući zahtjevi za upravljanjem toplinom, napredni materijali za elektroničko pakiranje s vrhunskom toplinskom provodljivošću opsežno se istražuju i optimiziraju.
Kompozitni materijal od dijamanta i bakra
01 Dijamant i bakar
Tradicionalni materijali za pakovanje uključuju keramiku, plastiku, metale i njihove legure. Keramika poput BeO i AlN pokazuje koeficijente toplinske razgradnje (CTE) koji odgovaraju poluprovodnicima, dobru hemijsku stabilnost i umjerenu toplinsku provodljivost. Međutim, njihova složena obrada, visoki troškovi (posebno toksični BeO) i krhkost ograničavaju primjenu. Plastična ambalaža nudi nisku cijenu, malu težinu i izolaciju, ali pati od slabe toplinske provodljivosti i nestabilnosti na visokim temperaturama. Čisti metali (Cu, Ag, Al) imaju visoku toplinsku provodljivost, ali prekomjerni CTE, dok legure (Cu-W, Cu-Mo) ugrožavaju toplinske performanse. Stoga su hitno potrebni novi materijali za pakovanje koji uravnotežuju visoku toplinsku provodljivost i optimalni CTE.
| Armatura | Toplotna provodljivost (W/(m·K)) | KTŠ (×10⁻⁶/℃) | Gustoća (g/cm³) |
| Dijamant | 700–2000 | 0,9–1,7 | 3,52 |
| Čestice BeO | 300 | 4.1 | 3.01 |
| AlN čestice | 150–250 | 2,69 | 3.26 |
| SiC čestice | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| B₄C čestice | 29–67 | 4.4 | 2,52 |
| Borova vlakna | 40 | ~5.0 | 2.6 |
| TiC čestice | 40 | 7.4 | 4,92 |
| Čestice Al₂O₃ | 20–40 | 4.4 | 3,98 |
| SiC brkovi | 32 | 3.4 | – |
| Čestice Si₃N₄ | 28 | 1,44 | 3.18 |
| TiB₂ čestice | 25 | 4.6 | 4,5 |
| SiO₂ čestice | 1.4 | <1,0 | 2,65 |
Dijamant, najtvrđi poznati prirodni materijal (Mohs 10), također posjeduje izuzetnetoplotna provodljivost (200–2200 W/(m·K)).
Dijamantni mikro-prah
Bakar, sa visoka toplotna/električna provodljivost (401 W/(m·K)), duktilnost i isplativost, široko se koristi u integriranim krugovima.
Kombinujući ova svojstva,dijamant/bakar (Dia/Cu) kompoziti— s Cu kao matricom i dijamantom kao ojačanjem — pojavljuju se kao materijali sljedeće generacije za upravljanje toplinom.
02 Ključne metode izrade
Uobičajene metode za pripremu dijamanta/bakra uključuju: metalurgiju praha, metodu visoke temperature i visokog pritiska, metodu uranjanja u taline, metodu sinterovanja plazmom pražnjenja, metodu hladnog prskanja itd.
Poređenje različitih metoda pripreme, procesa i svojstava kompozita dijamant/bakar jedne veličine čestica
| Parametar | Metalurgija praha | Vakuumsko vruće presovanje | Sinterovanje iskricom plazme (SPS) | Visokotlačni visokotemperaturni (HPHT) | Hladno raspršivanje | Infiltracija taline |
| Vrsta dijamanta | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | PDA | MBD8/HHD |
| Matrica | 99,8% Cu prah | 99,9% elektrolitički bakarni prah | 99,9% Cu prah | Legura/čisti Cu prah | Čisti bakarni prah | Čisti Cu u rasutom stanju/šipka |
| Modifikacija interfejsa | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Veličina čestica (μm) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Volumenski udio (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| Temperatura (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| Pritisak (MPa) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| Vrijeme (min) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Relativna gustoća (%) | 98,5 | 99,2–99,7 | – | – | – | 99,4–99,7 |
| Performanse | ||||||
| Optimalna toplotna provodljivost (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
Uobičajene Dia/Cu kompozitne tehnike uključuju:
(1)Metalurgija praha
Miješani dijamantski/Cu prahovi se kompaktira i sinteruje. Iako je isplativa i jednostavna, ova metoda daje ograničenu gustoću, nehomogene mikrostrukture i ograničene dimenzije uzorka.
Sinterna jedinica
(1)Visokotlačni visokotemperaturni (HPHT)
Korištenjem presa s više nakovnja, rastopljeni Cu infiltrira dijamantske rešetke pod ekstremnim uvjetima, proizvodeći guste kompozite. Međutim, HPHT zahtijeva skupe kalupe i nije pogodan za proizvodnju velikih razmjera.
Cubic press
(1)Infiltracija taline
Rastopljeni Cu prodire u dijamantske predoblike putem infiltracije uz pomoć pritiska ili kapilarno vođene infiltracije. Rezultirajući kompoziti postižu toplinsku provodljivost >446 W/(m·K).
(2)Sinterovanje iskricom plazme (SPS)
Pulsna struja brzo sinteruje miješane prahove pod pritiskom. Iako efikasan, performanse SPS-a se smanjuju pri udjelu dijamanata >65 vol%.
Shematski dijagram sistema za sinterovanje plazmom pražnjenja
(5) Hladno raspršivanje
Praškovi se ubrzavaju i nanose na podloge. Ova nova metoda suočava se s izazovima u kontroli završne obrade površine i validaciji termičkih performansi.
03 Modifikacija interfejsa
Za pripremu kompozitnih materijala, međusobno kvašenje između komponenti je neophodan preduslov za proces kompozitiranja i važan faktor koji utiče na strukturu međupovršine i stanje vezivanja na međupovršini. Uslov bez kvašenja na međupovršini između dijamanta i bakra (Cu) dovodi do vrlo visoke termičke otpornosti međupovršine. Stoga je veoma važno provesti istraživanje modifikacije na međupovršini između njih putem različitih tehničkih sredstava. Trenutno postoje uglavnom dvije metode za poboljšanje problema međupovršine između dijamanta i Cu matrice: (1) Modifikacija površine dijamanta; (2) Legiranje bakarne matrice.
Šematski dijagram modifikacije: (a) Direktno nanošenje prevlake na površinu dijamanta; (b) Legiranje matrice
(1) Površinska modifikacija dijamanta
Nanošenje aktivnih elemenata kao što su Mo, Ti, W i Cr na površinski sloj ojačavajuće faze može poboljšati međupovršinske karakteristike dijamanta, čime se povećava njegova toplinska provodljivost. Sinterovanje može omogućiti gore navedenim elementima da reaguju s ugljikom na površini dijamantskog praha i formiraju karbidni prelazni sloj. Ovo optimizuje stanje vlaženja između dijamanta i metalne baze, a premaz može spriječiti promjenu strukture dijamanta na visokim temperaturama.
(2) Legiranje bakrene matrice
Prije kompozitne obrade materijala, na metalnom bakru se provodi predlegiranje, što može proizvesti kompozitne materijale s općenito visokom toplinskom provodljivošću. Dopiranje aktivnih elemenata u bakarnoj matrici ne samo da može učinkovito smanjiti kut kvašenja između dijamanta i bakra, već i stvoriti karbidni sloj koji je čvrsto topiv u bakarnoj matrici na granici dijamant/Cu nakon reakcije. Na taj način, većina postojećih praznina na granici materijala se modificira i popunjava, čime se poboljšava toplinska provodljivost.
04 Zaključak
Konvencionalni materijali za pakovanje ne uspijevaju da upravljaju toplotom od naprednih čipova. Dia/Cu kompoziti, sa podesivim CTE faktorom i ultravisokom toplotnom provodljivošću, predstavljaju transformativno rješenje za elektroniku sljedeće generacije.
Kao visokotehnološko preduzeće koje integriše industriju i trgovinu, XKH se fokusira na istraživanje, razvoj i proizvodnju dijamantsko-bakarnih kompozita i visokoperformansnih metalno-matričnih kompozita kao što su SiC/Al i Gr/Cu, pružajući inovativna rješenja za upravljanje toplotom sa toplotnom provodljivošću preko 900 W/(m·K) za oblasti elektronskog pakovanja, energetskih modula i vazduhoplovstva.
XKH'Kompozitni materijal od laminata obloženog dijamantskim bakrom:
Vrijeme objave: 12. maj 2025.