Kopš 20. gs. astoņdesmitajiem gadiem elektronisko shēmu integrācijas blīvums ir palielinājies ar gada ātrumu 1,5 × vai ātrāk. Augstāka integrācijas pakāpe rada lielāku strāvas blīvumu un siltuma veidošanos darbības laikā.Ja šis siltums netiek efektīvi izkliedēts, tas var izraisīt termiskus bojājumus un samazināt elektronisko komponentu kalpošanas laiku.
Lai apmierinātu pieaugošās siltumvadības prasības, tiek plaši pētīti un optimizēti moderni elektroniskie iepakojuma materiāli ar izcilu siltumvadītspēju.
Dimanta/vara kompozītmateriāls
01 Dimants un varš
Tradicionālie iepakojuma materiāli ir keramika, plastmasa, metāli un to sakausējumi. Keramikai, piemēram, BeO un AlN, ir pusvadītājiem atbilstošas temperatūras vērtības (CTE), laba ķīmiskā stabilitāte un vidēja siltumvadītspēja. Tomēr to sarežģītā apstrāde, augstās izmaksas (īpaši toksiskais BeO) un trauslums ierobežo pielietojumu. Plastmasas iepakojums ir zemas izmaksas, viegls svars un izolējošs, taču tam ir slikta siltumvadītspēja un nestabilitāte augstā temperatūrā. Tīriem metāliem (Cu, Ag, Al) ir augsta siltumvadītspēja, bet pārmērīga CTE, savukārt sakausējumi (Cu-W, Cu-Mo) pasliktina siltumvadītspēju. Tādēļ steidzami nepieciešami jauni iepakojuma materiāli, kas līdzsvaro augstu siltumvadītspēju un optimālu CTE.
| Armatūra | Siltumvadītspēja (W/(m·K)) | CTE (×10⁻⁶/℃) | Blīvums (g/cm³) |
| Dimants | 700–2000 | 0,9–1,7 | 3.52 |
| BeO daļiņas | 300 | 4.1 | 3.01 |
| AlN daļiņas | 150–250 | 2.69 | 3.26 |
| SiC daļiņas | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| B₄C daļiņas | 29.–67. lpp. | 4.4 | 2.52 |
| Bora šķiedra | 40 | ~5,0 | 2.6 |
| TiC daļiņas | 40 | 7.4 | 4.92 |
| Al₂O₃ daļiņas | 20–40 | 4.4 | 3,98 |
| SiC ūsas | 32 | 3.4 | – |
| Si₃N₄ daļiņas | 28 | 1.44 | 3.18 |
| TiB₂ daļiņas | 25 | 4.6 | 4.5 |
| SiO₂ daļiņas | 1.4 | <1,0 | 2.65 |
Dimants, cietākais zināmais dabiskais materiāls (Mohs 10), arī piemīt izcilas īpašībassiltumvadītspēja (200–2200 W/(m·K)).
Dimanta mikropulveris
Varš, ar augsta siltumvadītspēja/elektriskā vadītspēja (401 W/(m·K)), elastība un izmaksu efektivitāte tiek plaši izmantota integrālajās shēmās.
Apvienojot šīs īpašības,dimanta/vara (Dia/Cu) kompozītmateriāli— ar Cu kā matricu un dimantu kā stiegrojumu — kļūst par nākamās paaudzes siltumvadības materiāliem.
02 Galvenās izgatavošanas metodes
Izplatītākās dimanta/vara sagatavošanas metodes ir: pulvermetalurģija, augstas temperatūras un augstspiediena metode, kausēšanas iegremdēšanas metode, plazmas sintēzes metode, aukstās izsmidzināšanas metode utt.
Dažādu dimanta/vara kompozītu ar vienu daļiņu izmēru sagatavošanas metožu, procesu un īpašību salīdzinājums
| Parametrs | Pulvermetalurģija | Vakuuma karstā presēšana | Dzirksteļplazmas sintēze (SPS) | Augstspiediena augstas temperatūras (HPHT) | Aukstā izsmidzināšana | Kausējuma infiltrācija |
| Dimanta tips | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | PDA | MBD8/HHD |
| Matrica | 99,8% Cu pulveris | 99,9% elektrolītisks Cu pulveris | 99,9% Cu pulveris | Sakausējuma/tīra Cu pulveris | Tīrs Cu pulveris | Tīra Cu masa/stienis |
| Saskarnes modifikācija | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Daļiņu izmērs (μm) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Tilpuma daļa (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| Temperatūra (°C) | 900 | 800–1050 | 880.–950. gads | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| Spiediens (MPa) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| Laiks (minūtēs) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Relatīvais blīvums (%) | 98,5 | 99,2–99,7 | – | – | – | 99,4–99,7 |
| Veiktspēja | ||||||
| Optimāla siltumvadītspēja (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
Kopējās Dia/Cu kompozītu metodes ietver:
(1)Pulvermetalurģija
Jaukti dimanta/Cu pulveri tiek sablīvēti un saķepināti. Lai gan šī metode ir rentabla un vienkārša, tā rada ierobežotu blīvumu, nehomogēnas mikrostruktūras un ierobežotus parauga izmērus.
Sinteringvienība
(1)Augstspiediena augstas temperatūras (HPHT)
Izmantojot daudzu laktu preses, izkausēts vars ekstremālos apstākļos infiltrējas dimanta režģos, veidojot blīvus kompozītmateriālus. Tomēr augstas efektivitātes augstas temperatūras (HPHT) ražošanai ir nepieciešamas dārgas veidnes, un tā nav piemērota liela mēroga ražošanai.
Cubiskā prese
(1)Kausējuma infiltrācija
Izkausēts varš iesūcas dimanta sagatavēs, izmantojot spiediena veicinātu vai kapilāru vadītu infiltrāciju. Iegūtie kompozītmateriāli sasniedz >446 W/(m·K) siltumvadītspēju.
(2)Dzirksteļplazmas sintēze (SPS)
Impulsstrāva spiediena ietekmē ātri saķepina jauktos pulverus. Lai gan SPS ir efektīvs, tā veiktspēja pasliktinās, ja dimanta frakcija ir >65 tilp.%.
Izlādes plazmas sintēzes sistēmas shematiska diagramma
(5) Aukstā izsmidzināšana
Pulveri tiek paātrināti un nogulsnēti uz substrātiem. Šī jaunā metode saskaras ar izaicinājumiem virsmas apdares kontrolē un termiskās veiktspējas validācijā.
03 Saskarnes modifikācija
Kompozītmateriālu sagatavošanā savstarpēja samitrināšana starp komponentiem ir nepieciešams priekšnoteikums kompozītmateriālu ražošanas procesam un svarīgs faktors, kas ietekmē saskarnes struktūru un saskarnes savienojuma stāvokli. Nesamitrināšanas apstākļi saskarnē starp dimantu un Cu rada ļoti augstu saskarnes termisko pretestību. Tāpēc ir ļoti svarīgi veikt modifikācijas pētījumus saskarnē starp abiem, izmantojot dažādus tehniskus līdzekļus. Pašlaik ir galvenokārt divas metodes, kā uzlabot saskarnes problēmu starp dimanta un Cu matricu: (1) Dimanta virsmas modifikācijas apstrāde; (2) Vara matricas leģējošā apstrāde.
Modifikācijas shematiska diagramma: (a) Tieša dimanta virsmas pārklāšana; (b) Matricas leģēšana
(1) Dimanta virsmas modifikācija
Aktīvo elementu, piemēram, Mo, Ti, W un Cr, pārklāšana uz pastiprinošās fāzes virsmas slāņa var uzlabot dimanta saskarnes īpašības, tādējādi palielinot tā siltumvadītspēju. Sintēšana var ļaut iepriekš minētajiem elementiem reaģēt ar oglekli uz dimanta pulvera virsmas, veidojot karbīda pārejas slāni. Tas optimizē mitrināšanas stāvokli starp dimantu un metāla pamatni, un pārklājums var novērst dimanta struktūras izmaiņas augstā temperatūrā.
(2) Vara matricas sakausēšana
Pirms materiālu kompozītmateriālu apstrādes metāliskajam varam tiek veikta iepriekšēja sakausēšanas apstrāde, kas var radīt kompozītmateriālus ar kopumā augstu siltumvadītspēju. Vara matricā esošo aktīvo elementu dopēšana var ne tikai efektīvi samazināt mitrināšanas leņķi starp dimantu un varu, bet arī radīt karbīda slāni, kas pēc reakcijas dimanta/Cu saskarnē ir ciets un šķīstošs vara matricā. Tādā veidā tiek modificētas un aizpildītas lielākā daļa materiāla saskarnē esošo spraugu, tādējādi uzlabojot siltumvadītspēju.
04 Secinājums
Tradicionālie iepakojuma materiāli nespēj pārvaldīt modernu mikroshēmu radīto siltumu. Dia/Cu kompozītmateriāli ar regulējamu CTE un īpaši augstu siltumvadītspēju ir revolucionārs risinājums nākamās paaudzes elektronikai.
Kā augsto tehnoloģiju uzņēmums, kas integrē rūpniecību un tirdzniecību, XKH koncentrējas uz dimanta/vara kompozītu un augstas veiktspējas metāla matricas kompozītu, piemēram, SiC/Al un Gr/Cu, pētniecību, attīstību un ražošanu, nodrošinot inovatīvus siltumvadītspējas risinājumus ar siltumvadītspēju virs 900 W/(m·K) elektronisko iepakojumu, jaudas moduļu un kosmosa jomām.
XKH"s Dimanta vara pārklāts lamināta kompozītmateriāls:
Publicēšanas laiks: 2025. gada 12. maijs