Od 80. let 20. století se hustota integrace elektronických obvodů zvyšuje ročním tempem 1,5× nebo rychleji. Vyšší integrace vede k vyšším proudovým hustotám a generování tepla během provozu.Pokud není toto teplo efektivně odváděno, může způsobit tepelné selhání a zkrátit životnost elektronických součástek.
Aby se splnily rostoucí požadavky na tepelný management, jsou rozsáhle zkoumány a optimalizovány pokročilé materiály pro elektronické obaly s vynikající tepelnou vodivostí.
Kompozitní materiál diamant/měď
01 Diamant a měď
Mezi tradiční obalové materiály patří keramika, plasty, kovy a jejich slitiny. Keramika jako BeO a AlN vykazuje CTE odpovídající polovodičům, dobrou chemickou stabilitu a střední tepelnou vodivost. Jejich složité zpracování, vysoké náklady (zejména toxický BeO) a křehkost však omezují jejich použití. Plastové obaly nabízejí nízké náklady, nízkou hmotnost a izolaci, ale trpí špatnou tepelnou vodivostí a nestabilitou při vysokých teplotách. Čisté kovy (Cu, Ag, Al) mají vysokou tepelnou vodivost, ale nadměrný CTE, zatímco slitiny (Cu-W, Cu-Mo) snižují tepelný výkon. Proto jsou naléhavě potřebné nové obalové materiály, které vyvažují vysokou tepelnou vodivost a optimální CTE.
| Výztuž | Tepelná vodivost (W/(m·K)) | CTE (×10⁻⁶/℃) | Hustota (g/cm³) |
| Diamant | 700–2000 | 0,9–1,7 | 3,52 |
| Částice BeO | 300 | 4.1 | 3.01 |
| Částice AlN | 150–250 | 2,69 | 3.26 |
| Částice SiC | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| Částice B₄C | 29–67 | 4.4 | 2,52 |
| Borové vlákno | 40 | ~5,0 | 2.6 |
| Částice TiC | 40 | 7.4 | 4,92 |
| Částice Al₂O₃ | 20–40 | 4.4 | 3,98 |
| SiC whiskery | 32 | 3.4 | – |
| Částice Si₃N₄ | 28 | 1,44 | 3.18 |
| Částice TiB₂ | 25 | 4.6 | 4,5 |
| Částice SiO₂ | 1.4 | <1,0 | 2,65 |
Diamant, nejtvrdší známý přírodní materiál (Mohs 10), má také výjimečnétepelná vodivost (200–2200 W/(m·K)).
Diamantový mikroprášek
Měď, s vysoká tepelná/elektrická vodivost (401 W/(m·K)), tažnost a nákladová efektivita, se široce používá v integrovaných obvodech.
Kombinací těchto vlastností,kompozity diamant/měď (Dia/Cu).– s mědí jako matricí a diamantem jako výztuhou – se objevují jako materiály nové generace pro tepelný management.
02 Klíčové metody výroby
Mezi běžné metody přípravy diamantu/mědi patří: prášková metalurgie, metoda za vysokých teplot a vysokého tlaku, metoda ponoření do taveniny, metoda spékání plazmovým výbojem, metoda stříkání za studena atd.
Porovnání různých metod přípravy, procesů a vlastností diamantově-měděných kompozitů s jednou velikostí částic
| Parametr | Prášková metalurgie | Vakuové lisování za tepla | Slinování jiskrovou plazmou (SPS) | Vysokotlaký a vysokoteplotní (HPHT) | Nanášení za studena stříkáním | Infiltrace taveniny |
| Typ diamantu | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | PDA | MBD8/HHD |
| Matice | 99,8% měděný prášek | 99,9% elektrolytický měděný prášek | 99,9% měděný prášek | Slitina/čistý měděný prášek | Čistý měděný prášek | Čistá měď volně ložená/tyčinka |
| Modifikace rozhraní | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Velikost částic (μm) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Objemový podíl (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| Teplota (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| Tlak (MPa) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| Čas (min) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Relativní hustota (%) | 98,5 | 99,2–99,7 | – | – | – | 99,4–99,7 |
| Výkon | ||||||
| Optimální tepelná vodivost (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
Mezi běžné Dia/Cu kompozitní techniky patří:
(1)Prášková metalurgie
Směs diamantových/měděných prášků se zhutňuje a spéká. Tato metoda je sice cenově výhodná a jednoduchá, ale vede k omezené hustotě, nehomogenním mikrostrukturám a omezeným rozměrům vzorku.
Sinterní jednotka
(1)Vysokotlaký a vysokoteplotní (HPHT)
Pomocí lisů s více kovadlinami infiltruje roztavená měď diamantové mřížky za extrémních podmínek a vytváří husté kompozity. HPHT však vyžaduje drahé formy a není vhodná pro velkovýrobu.
Cubic press
(1)Infiltrace taveniny
Roztavená měď proniká diamantovými polotovary pomocí tlakové nebo kapilární infiltrace. Výsledné kompozity dosahují tepelné vodivosti >446 W/(m·K).
(2)Slinování jiskrovou plazmou (SPS)
Pulzní proud rychle spéká smíšené prášky pod tlakem. Přestože je SPS účinný, jeho výkon se snižuje při podílu diamantů >65 obj. %.
Schéma systému plazmového spékání
(5) Nanášení za studena stříkáním
Prášky jsou urychlovány a nanášeny na substráty. Tato nově vznikající metoda čelí výzvám v oblasti kontroly povrchové úpravy a validace tepelných vlastností.
03 Úprava rozhraní
Pro přípravu kompozitních materiálů je vzájemné smáčení mezi složkami nezbytným předpokladem pro kompozitní proces a důležitým faktorem ovlivňujícím strukturu rozhraní a stav vazeb na rozhraní. Nesmáčivost na rozhraní mezi diamantem a mědí vede k velmi vysokému tepelnému odporu rozhraní. Proto je velmi důležité provádět výzkum modifikace rozhraní mezi těmito dvěma materiály pomocí různých technických prostředků. V současné době existují hlavně dvě metody pro zlepšení problému rozhraní mezi diamantem a měděnou matricí: (1) Modifikace povrchu diamantu; (2) Legování měděné matrice.
Schéma modifikace: (a) Přímé pokovování na povrchu diamantu; (b) Matricové legování
(1) Povrchová modifikace diamantu
Pokovení aktivních prvků, jako jsou Mo, Ti, W a Cr, na povrchovou vrstvu výztužné fáze může zlepšit mezifázové vlastnosti diamantu, a tím zvýšit jeho tepelnou vodivost. Slinování umožňuje výše uvedeným prvkům reagovat s uhlíkem na povrchu diamantového prášku za vzniku karbidové přechodové vrstvy. Tím se optimalizuje smáčecí stav mezi diamantem a kovovou základnou a povlak může zabránit změně struktury diamantu při vysokých teplotách.
(2) Legování měděné matrice
Před kompozitním zpracováním materiálů se na kovové mědi provádí předlegovací úprava, která umožňuje výrobu kompozitních materiálů s obecně vysokou tepelnou vodivostí. Dopování aktivních prvků v měděné matrici může nejen účinně snížit smáčecí úhel mezi diamantem a mědí, ale také po reakci vytvořit na rozhraní diamant/Cu karbidovou vrstvu, která je pevně rozpustná v měděné matrici. Tímto způsobem se upraví a vyplní většina mezer existujících na rozhraní materiálu, čímž se zlepší tepelná vodivost.
04 Závěr
Konvenční obalové materiály nedokážou odvádět teplo z pokročilých čipů. Kompozity Dia/Cu s laditelným součinitelem tepelné roztažnosti (CTE) a ultravysokou tepelnou vodivostí představují transformační řešení pro elektroniku nové generace.
Jakožto high-tech podnik integrující průmysl a obchod se společnost XKH zaměřuje na výzkum, vývoj a výrobu diamantově-měděných kompozitů a vysoce výkonných kompozitů s kovovou matricí, jako jsou SiC/Al a Gr/Cu, a poskytuje inovativní řešení pro tepelný management s tepelnou vodivostí přes 900 W/(m·K) pro oblasti elektronických obalů, výkonových modulů a leteckého průmyslu.
XKH'Diamantový měděný laminátový kompozitní materiál:
Čas zveřejnění: 12. května 2025