Începând cu anii 1980, densitatea de integrare a circuitelor electronice a crescut cu o rată anuală de 1,5× sau mai rapidă. O integrare mai mare duce la densități de curent mai mari și la generare de căldură mai mare în timpul funcționării.Dacă nu este disipată eficient, această căldură poate provoca defecțiuni termice și poate reduce durata de viață a componentelor electronice.
Pentru a satisface cerințele tot mai mari de gestionare termică, materialele avansate de ambalare electronică cu conductivitate termică superioară sunt cercetate și optimizate pe larg.
Material compozit diamant/cupru
01 Diamant și cupru
Materialele tradiționale de ambalare includ ceramica, materialele plastice, metalele și aliajele acestora. Ceramicile precum BeO și AlN prezintă coeficienți de dizolvare termică (CTE) potriviți semiconductorilor, o bună stabilitate chimică și o conductivitate termică moderată. Cu toate acestea, procesarea lor complexă, costul ridicat (în special BeO toxic) și fragilitatea limitează aplicațiile. Ambalajele din plastic oferă costuri reduse, greutate redusă și izolație, dar suferă de o conductivitate termică slabă și instabilitate la temperaturi ridicate. Metalele pure (Cu, Ag, Al) au o conductivitate termică ridicată, dar un CTE excesiv, în timp ce aliajele (Cu-W, Cu-Mo) compromit performanța termică. Prin urmare, sunt necesare urgent materiale de ambalare noi care să echilibreze conductivitatea termică ridicată și CTE optim.
| Armare | Conductivitate termică (W/(m·K)) | CTE (×10⁻⁶/℃) | Densitate (g/cm³) |
| Diamant | 700–2000 | 0,9–1,7 | 3.52 |
| Particule de BeO | 300 | 4.1 | 3.01 |
| Particule de AlN | 150–250 | 2,69 | 3.26 |
| Particule de SiC | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| Particule B₄C | 29–67 | 4.4 | 2,52 |
| Fibră de bor | 40 | ~5,0 | 2.6 |
| Particule de TiC | 40 | 7.4 | 4,92 |
| Particule de Al₂O₃ | 20–40 | 4.4 | 3,98 |
| Mustăți de SiC | 32 | 3.4 | – |
| Particule de Si₃N₄ | 28 | 1,44 | 3.18 |
| particule de TiB₂ | 25 | 4.6 | 4.5 |
| particule de SiO₂ | 1.4 | <1,0 | 2,65 |
Diamant, cel mai dur material natural cunoscut (Mohs 10), posedă și proprietăți excepționaleconductivitate termică (200–2200 W/(m·K)).
Micro-pulbere de diamant
Cupru, cu conductivitate termică/electrică ridicată (401 W/(m·K)), ductilitatea și eficiența costurilor, este utilizată pe scară largă în circuitele integrate.
Combinând aceste proprietăți,compozite diamant/cupru (Dia/Cu).—cu Cu ca matrice și diamant ca armătură — iau naștere ca materiale de management termic de generație următoare.
02 Metode cheie de fabricație
Metodele comune de preparare a diamantului/cuprului includ: metalurgia pulberilor, metoda la temperatură înaltă și presiune înaltă, metoda de imersie prin topire, metoda de sinterizare cu plasmă prin descărcare, metoda de pulverizare la rece etc.
Compararea diferitelor metode de preparare, procese și proprietăți ale compozitelor diamant/cupru cu particule unice
| Parametru | Metalurgie pulberilor | Presare la cald în vid | Sinterizarea cu plasmă prin scânteie (SPS) | Înaltă presiune și temperatură înaltă (HPHT) | Depunere prin pulverizare la rece | Infiltrarea topiturii |
| Tipul de diamant | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | PDA-uri | MBD8/HHD |
| Matrice | Pulbere de Cu 99,8% | 99,9% pulbere electrolitică de Cu | Pulbere de Cu 99,9% | Aliaj/pulbere de Cu pur | Pulbere pură de Cu | Cu pur vrac/tijă |
| Modificarea interfeței | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Dimensiunea particulelor (μm) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Fracție volumică (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| Temperatură (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| Presiune (MPa) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| Timp (min) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Densitate relativă (%) | 98,5 | 99,2–99,7 | – | – | – | 99,4–99,7 |
| Performanţă | ||||||
| Conductivitate termică optimă (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
Tehnicile comune Dia/Cu compozite includ:
(1)Metalurgie pulberilor
Pulberile mixte de diamant/Cu sunt compactate și sinterizate. Deși este rentabilă și simplă, această metodă produce o densitate limitată, microstructuri neomogene și dimensiuni restrânse ale probei.
Sunitate de internare
(1)Înaltă presiune și temperatură înaltă (HPHT)
Folosind prese cu nicovală multiplă, Cu-ul topit se infiltrează în rețelele de diamant în condiții extreme, producând compozite dense. Cu toate acestea, HPHT necesită matrițe scumpe și nu este potrivită pentru producția la scară largă.
Cpresă ubică
(1)Infiltrarea topiturii
Cu-ul topit pătrunde în preformele de diamant prin infiltrare asistată de presiune sau prin capilaritate. Compozitele rezultate ating o conductivitate termică >446 W/(m·K).
(2)Sinterizarea cu plasmă prin scânteie (SPS)
Curentul pulsat sinterizează rapid pulberile amestecate sub presiune. Deși eficient, performanța SPS se degradează la fracții de diamant >65% vol.
Schema sistemului de sinterizare cu plasmă prin descărcare
(5) Depunere prin pulverizare la rece
Pulberile sunt accelerate și depuse pe substraturi. Această metodă incipientă se confruntă cu provocări în controlul finisajului suprafeței și validarea performanței termice.
03 Modificare interfață
Pentru prepararea materialelor compozite, umectarea reciprocă dintre componente este o condiție prealabilă necesară pentru procesul compozit și un factor important care afectează structura interfeței și starea de legătură a interfeței. Condiția de neumectare la interfața dintre diamant și Cu duce la o rezistență termică foarte mare la interfață. Prin urmare, este foarte important să se efectueze cercetări de modificare a interfeței dintre cele două prin diverse mijloace tehnice. În prezent, există în principal două metode pentru a îmbunătăți problema interfeței dintre diamant și matricea de Cu: (1) Tratament de modificare a suprafeței diamantului; (2) Tratament de aliere a matricei de cupru.
Schema de modificare: (a) Placare directă pe suprafața diamantului; (b) Aliere cu matrice
(1) Modificarea suprafeței diamantului
Placarea elementelor active precum Mo, Ti, W și Cr pe stratul superficial al fazei de armare poate îmbunătăți caracteristicile interfaciale ale diamantului, sporind astfel conductivitatea sa termică. Sinterizarea poate permite elementelor menționate mai sus să reacționeze cu carbonul de pe suprafața pulberii de diamant pentru a forma un strat de tranziție de carbură. Acest lucru optimizează starea de umectare dintre diamant și baza metalică, iar acoperirea poate preveni modificarea structurii diamantului la temperaturi ridicate.
(2) Alierea matricei de cupru
Înainte de procesarea compozită a materialelor, se efectuează un tratament de pre-aliere pe cuprul metalic, care poate produce materiale compozite cu o conductivitate termică în general ridicată. Doparea elementelor active în matricea de cupru nu numai că poate reduce eficient unghiul de umectare dintre diamant și cupru, dar poate genera și un strat de carbură solid solubil în matricea de cupru la interfața diamant/Cu după reacție. În acest fel, majoritatea golurilor existente la interfața materialului sunt modificate și umplute, îmbunătățind astfel conductivitatea termică.
04 Concluzie
Materialele convenționale de ambalare nu gestionează suficient căldura provenită de la cipurile avansate. Compozitele Dia/Cu, cu CTE reglabil și conductivitate termică ultra-înaltă, reprezintă o soluție transformatoare pentru electronica de generație următoare.
Ca întreprindere de înaltă tehnologie care integrează industria și comerțul, XKH se concentrează pe cercetarea, dezvoltarea și producția de compozite diamant/cupru și compozite cu matrice metalică de înaltă performanță, cum ar fi SiC/Al și Gr/Cu, oferind soluții inovatoare de management termic cu o conductivitate termică de peste 900W/(m·K) pentru domeniile ambalajelor electronice, modulelor de putere și aerospațiale.
XKH„Material compozit laminat placat cu cupru diamantat:
Data publicării: 12 mai 2025