Od 1980-ih, gustoća integracije elektroničkih sklopova povećava se godišnjom stopom od 1,5× ili brže. Veća integracija dovodi do većih gustoća struje i stvaranja topline tijekom rada.Ako se ne rasprši učinkovito, ta toplina može uzrokovati toplinski kvar i smanjiti vijek trajanja elektroničkih komponenti.
Kako bi se zadovoljili sve veći zahtjevi za upravljanje toplinom, napredni materijali za elektroničku ambalažu s vrhunskom toplinskom vodljivošću opsežno se istražuju i optimiziraju.
Kompozitni materijal od dijamanta i bakra
01 Dijamant i bakar
Tradicionalni materijali za pakiranje uključuju keramiku, plastiku, metale i njihove legure. Keramika poput BeO i AlN pokazuje CTE vrijednosti koje odgovaraju poluvodičima, dobru kemijsku stabilnost i umjerenu toplinsku vodljivost. 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 vodljivosti i nestabilnosti na visokim temperaturama. Čisti metali (Cu, Ag, Al) imaju visoku toplinsku vodljivost, ali previsoku CTE vrijednost, dok legure (Cu-W, Cu-Mo) ugrožavaju toplinske performanse. Stoga su hitno potrebni novi materijali za pakiranje koji uravnotežuju visoku toplinsku vodljivost i optimalnu CTE vrijednost.
| Pojačanje | Toplinska vodljivost (W/(m·K)) | KTE (×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 iznimnatoplinska vodljivost (200–2200 W/(m·K)).
Dijamantni mikro-prah
Bakar, s visoka toplinska/električna vodljivost (401 W/(m·K)), duktilnost i isplativost, široko se koristi u integriranim krugovima.
Kombinirajući ova svojstva,dijamant/bakar (Dia/Cu) kompoziti—s Cu kao matricom i dijamantom kao ojačanjem — pojavljuju se kao materijali za toplinsku regulaciju sljedeće generacije.
02 Ključne metode izrade
Uobičajene metode za pripremu dijamanta/bakra uključuju: metalurgiju praha, metodu visoke temperature i visokog tlaka, metodu uranjanja u taline, metodu sinteriranja plazmom, metodu hladnog prskanja itd.
Usporedba različitih metoda pripreme, procesa i svojstava kompozita dijamanta/bakra jedne veličine čestica
| Parametar | Metalurgija praha | Vakuumsko vruće prešanje | Sinteriranje iskricom plazme (SPS) | Visokotlačni visokotemperaturni (HPHT) | Taloženje hladnim raspršivanjem | Infiltracija taline |
| Vrsta dijamanta | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | PDA | MBD8/HHD |
| Matrica | 99,8% bakrenog praha | 99,9% elektrolitički bakreni prah | 99,9% Cu prah | Legura/čisti Cu prah | Čisti bakreni prah | Čisti Cu u rasutom stanju/šipka |
| Modifikacija sučelja | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Veličina čestica (μm) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Volumski 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. |
| Tlak (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 toplinska vodljivost (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
Uobičajene tehnike Dia/Cu kompozita uključuju:
(1)Metalurgija praha
Miješani dijamantni/Cu prahovi se kompaktiraju i sinteriraju. Iako je isplativa i jednostavna, ova metoda daje ograničenu gustoću, nehomogene mikrostrukture i ograničene dimenzije uzorka.
Sinterna jedinica
(1)Visokotlačni visokotemperaturni (HPHT)
Korištenjem preša s više nakovnja, rastaljeni Cu infiltrira dijamantne rešetke pod ekstremnim uvjetima, stvarajući guste kompozite. Međutim, HPHT zahtijeva skupe kalupe i nije prikladan za proizvodnju velikih razmjera.
Cubic press
(1)Infiltracija taline
Rastaljeni Cu prodire u dijamantne predoblike putem infiltracije uz pomoć tlaka ili kapilarno vođene infiltracije. Rezultirajući kompoziti postižu toplinsku vodljivost >446 W/(m·K).
(2)Sinteriranje iskricom plazme (SPS)
Pulsirajuća struja brzo sinterira miješane prahove pod tlakom. Iako je učinkovita, performanse SPS-a se smanjuju pri udjelima dijamanta >65 vol%.
Shematski dijagram sustava za sinteriranje plazmom s pražnjenjem
(5) Hladno raspršivanje
Praškovi se ubrzavaju i nanose na podloge. Ova nova metoda suočava se s izazovima u kontroli završne obrade površine i validaciji toplinskih performansi.
03 Modifikacija sučelja
Za pripremu kompozitnih materijala, međusobno vlaženje između komponenti nužan je preduvjet za proces kompozitiranja i važan čimbenik koji utječe na strukturu međupovršine i stanje međupovršinske veze. Uvjeti bez vlaženja na međupovršini između dijamanta i Cu dovode do vrlo visoke toplinske otpornosti međupovršine. Stoga je vrlo 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) Obrada legiranjem bakrene matrice.
Shematski dijagram modifikacije: (a) Izravno nanošenje prevlake na površinu dijamanta; (b) Legiranje matrice
(1) Modifikacija površine dijamanta
Nanošenje aktivnih elemenata poput Mo, Ti, W i Cr na površinski sloj ojačavajuće faze može poboljšati međupovršinske karakteristike dijamanta, čime se povećava njegova toplinska vodljivost. Sinteriranjem se omogućuje reakcija gore navedenih elemenata s ugljikom na površini dijamantnog praha kako bi se formirao karbidni prijelazni sloj. To optimizira 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 vodljivošću. Dopiranje aktivnih elemenata u bakrenoj matrici ne samo da može učinkovito smanjiti kut kvašenja između dijamanta i bakra, već i stvoriti karbidni sloj koji je čvrsto topljiv u bakrenoj matrici na granici dijamant/Cu nakon reakcije. Na taj se način većina postojećih praznina na granici materijala modificira i popunjava, čime se poboljšava toplinska vodljivost.
04 Zaključak
Konvencionalni materijali za pakiranje ne uspijevaju upravljati toplinom iz naprednih čipova. Dia/Cu kompoziti, s podesivim CTE-om i ultravisokom toplinskom vodljivošću, predstavljaju transformativno rješenje za elektroniku sljedeće generacije.
Kao visokotehnološko poduzeće koje integrira industriju i trgovinu, XKH se fokusira na istraživanje i razvoj te proizvodnju dijamantnih/bakrenih kompozita i visokoučinkovitih metalnih matričnih kompozita kao što su SiC/Al i Gr/Cu, pružajući inovativna rješenja za upravljanje toplinom s toplinskom vodljivošću većom od 900 W/(m·K) za područja elektroničkog pakiranja, energetskih modula i zrakoplovstva.
XKH'Kompozitni materijal od laminata obloženog dijamantnim bakrom:
Vrijeme objave: 12. svibnja 2025.