Alates 1980. aastatest on elektroonikalülituste integreerimistihedus suurenenud 1,5 korda või kiiremini aastas. Suurem integreerimine toob kaasa suurema voolutiheduse ja soojuse tekkimise töötamise ajal.Kui seda soojust ei hajutata tõhusalt, võib see põhjustada termilisi rikkeid ja lühendada elektroonikakomponentide eluiga.
Kasvavate soojushalduse nõudmiste rahuldamiseks uuritakse ja optimeeritakse põhjalikult täiustatud elektroonilisi pakkematerjale, millel on suurepärane soojusjuhtivus.
Teemant/vask komposiitmaterjal
01 Teemant ja vask
Traditsiooniliste pakkematerjalide hulka kuuluvad keraamika, plast, metallid ja nende sulamid. Keraamikal, nagu BeO ja AlN, on pooljuhtidele vastavad CTE-d, hea keemiline stabiilsus ja mõõdukas soojusjuhtivus. Nende keerukas töötlemine, kõrge hind (eriti mürgise BeO puhul) ja rabedus piiravad aga rakendusi. Plastpakendid on odavad, kerged ja hästi isoleerivad, kuid neil on halb soojusjuhtivus ja kõrge temperatuuriga ebastabiilsus. Puhtad metallid (Cu, Ag, Al) on kõrge soojusjuhtivusega, kuid liiga suure CTE-ga, samas kui sulamid (Cu-W, Cu-Mo) halvendavad soojusomadusi. Seega on hädasti vaja uudseid pakkematerjale, mis tasakaalustaksid kõrge soojusjuhtivuse ja optimaalse CTE.
| Tugevdamine | Soojusjuhtivus (W/(m·K)) | Süttimistemperatuuri koefitsient (×10⁻⁶/℃) | Tihedus (g/cm³) |
| Teemant | 700–2000 | 0,9–1,7 | 3.52 |
| BeO osakesed | 300 | 4.1 | 3.01 |
| AlN-osakesed | 150–250 | 2.69 | 3.26 |
| SiC osakesed | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| B₄C osakesed | 29–67 | 4.4 | 2.52 |
| Boorikiud | 40 | ~5,0 | 2.6 |
| TiC osakesed | 40 | 7.4 | 4.92 |
| Al₂O₃ osakesed | 20–40 | 4.4 | 3.98 |
| SiC-vurrud | 32 | 3.4 | – |
| Si₃N₄ osakesed | 28 | 1.44 | 3.18 |
| TiB₂ osakesed | 25 | 4.6 | 4.5 |
| SiO₂ osakesed | 1.4 | <1,0 | 2.65 |
Teemant, teadaolevalt kõige kõvem looduslik materjal (Mohsi skaala 10), omab ka erakordset vastupidavustsoojusjuhtivus (200–2200 W/(m·K)).
Teemantmikropulber
Vask, koos kõrge soojus-/elektrijuhtivus (401 W/(m·K)), venivus ja kulutõhusus on integraallülitustes laialdaselt kasutusel.
Neid omadusi kombineerides,teemant/vask (Dia/Cu) komposiidid– mille maatriks on Cu ja tugevdusmaterjal teemant – on kujunemas järgmise põlvkonna soojusjuhtimismaterjalideks.
02 Peamised valmistamismeetodid
Teemantide/vase valmistamise levinumad meetodid on pulbermetallurgia, kõrgtemperatuuri ja kõrgsurve meetod, sulamissukeldamismeetod, plasma paagutamise meetod, külmpihustamise meetod jne.
Üheosakeseliste teemant/vask komposiitide erinevate valmistusmeetodite, protsesside ja omaduste võrdlus
| Parameeter | Pulbermetallurgia | Vaakumkuumpressimine | Sädeplasma paagutamine (SPS) | Kõrgsurve-kõrge temperatuur (HPHT) | Külmpihustussadestamine | Sulanud infiltratsioon |
| Teemanti tüüp | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | PDA | MBD8/HHD |
| Maatriks | 99,8% Cu pulber | 99,9% elektrolüütiline Cu pulber | 99,9% Cu pulber | Sulam/puhas Cu pulber | Puhas Cu pulber | Puhas Cu puistematerjal/varras |
| Liidese muutmine | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Osakeste suurus (μm) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Mahufraktsioon (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| Temperatuur (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| Rõhk (MPa) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| Aeg (min) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Suhteline tihedus (%) | 98,5 | 99,2–99,7 | – | – | – | 99,4–99,7 |
| Jõudlus | ||||||
| Optimaalne soojusjuhtivus (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
Levinud Dia/Cu komposiittehnikad hõlmavad järgmist:
(1)Pulbermetallurgia
Teemant-/Cu-pulbrite segu tihendatakse ja paagutatakse. Kuigi see meetod on kulutõhus ja lihtne, annab see piiratud tiheduse, mittehomogeensed mikrostruktuurid ja piiratud proovi mõõtmed.
Sintering-üksus
(1)Kõrgsurve-kõrge temperatuur (HPHT)
Mitme alasi presside abil imbub sula Cu äärmuslikes tingimustes teemantvõredesse, tekitades tihedaid komposiite. Kõrgefektiivseks kuumtöötlemiseks on aga vaja kalleid vorme ja see ei sobi suurtootmiseks.
Cubiline press
(1)Sulanud infiltratsioon
Sula vask tungib teemantvormidesse rõhu abil või kapillaaride abil infiltratsiooni teel. Saadud komposiitide soojusjuhtivus on >446 W/(m·K).
(2)Sädeplasma paagutamine (SPS)
Impulssvool paagutab rõhu all segatud pulbreid kiiresti. Kuigi SPS-i keemiline koostis on efektiivne, halveneb selle jõudlus teemantide fraktsiooni korral >65 mahuprotsenti.
Plasma paagutussüsteemi skemaatiline diagramm
(5) Külmpihustussadestamine
Pulbreid kiirendatakse ja sadestatakse aluspindadele. See äsja tekkinud meetod seisab silmitsi väljakutsetega pinnaviimistluse kontrolli ja termilise jõudluse valideerimise osas.
03 Liidese muutmine
Komposiitmaterjalide valmistamisel on komponentide vastastikune märgumine komposiitprotsessi vajalik eeltingimus ning oluline tegur, mis mõjutab liidese struktuuri ja liidese nakkumisseisundit. Teemandi ja Cu vahelise liidese mittemärgamine viib väga kõrge liidese termilise takistuseni. Seetõttu on väga oluline läbi viia kahe vahelise liidese modifitseerimise uuringuid erinevate tehniliste vahendite abil. Praegu on teemandi ja Cu maatriksi vahelise liidese probleemi lahendamiseks peamiselt kaks meetodit: (1) teemandi pinna modifitseerimine; (2) vase maatriksi legeerimine.
Modifikatsiooni skeem: (a) Teemandi pinna otsene katmine; (b) Maatriksi legeerimine
(1) Teemandi pinna modifitseerimine
Aktiivsete elementide, näiteks Mo, Ti, W ja Cr, pealekandmine tugevdava faasi pinnakihile võib parandada teemandi faasidevahelisi omadusi, suurendades seeläbi selle soojusjuhtivust. Paagutamine võimaldab ülaltoodud elementidel reageerida teemantpulbri pinnal oleva süsinikuga, moodustades karbiidist üleminekukihi. See optimeerib teemandi ja metallaluse vahelist märgumisseisundit ning kate võib takistada teemandi struktuuri muutumist kõrgetel temperatuuridel.
(2) Vase maatriksi legeerimine
Enne materjalide komposiittöötlust teostatakse metallilise vase eelsulamist töötlus, mille abil saab toota üldiselt kõrge soojusjuhtivusega komposiitmaterjale. Vase maatriksisse legeerivate aktiivsete elementide lisamine mitte ainult ei vähenda tõhusalt teemandi ja vase vahelist märgumisnurka, vaid tekitab ka reaktsiooni järel teemandi/Cu piirpinnal vase maatriksis lahustuva tahke karbiidikihi. Sel viisil muudetakse ja täidetakse enamik materjali piirpinnal olevaid tühimikke, parandades seeläbi soojusjuhtivust.
04 Kokkuvõte
Tavapärased pakkematerjalid ei suuda täiustatud kiipide soojust hallata. Dia/Cu komposiidid, millel on reguleeritav CTE ja ülikõrge soojusjuhtivus, kujutavad endast murrangulist lahendust järgmise põlvkonna elektroonikale.
Kõrgtehnoloogilise ettevõttena, mis integreerib tööstust ja kaubandust, keskendub XKH teemant/vask komposiitide ja kõrgjõudlusega metallmaatrikskomposiitide, näiteks SiC/Al ja Gr/Cu, uurimis- ja arendustegevusele ning tootmisele, pakkudes uuenduslikke soojusjuhtimislahendusi soojusjuhtivusega üle 900 W/(m·K) elektroonikapakendite, toitemoodulite ja lennunduse valdkonnale.
XKH's Teemantvasega plakeeritud laminaatkomposiitmaterjal:
Postituse aeg: 12. mai 2025