Nuo devintojo dešimtmečio elektroninių grandinių integravimo tankis didėja 1,5 karto ar greičiau per metus. Didesnis integravimas lemia didesnį srovės tankį ir šilumos išsiskyrimą veikimo metu.Jei ši šiluma neišsklaidoma efektyviai, ji gali sukelti terminį gedimą ir sutrumpinti elektroninių komponentų tarnavimo laiką.
Siekiant patenkinti didėjančius šilumos valdymo reikalavimus, intensyviai tiriamos ir optimizuojamos pažangios elektroninių pakuočių medžiagos, pasižyminčios puikiu šilumos laidumu.
Deimanto / vario kompozicinė medžiaga
01 Deimantas ir varis
Tradicinės pakavimo medžiagos apima keramiką, plastikus, metalus ir jų lydinius. Tokia keramika kaip BeO ir AlN pasižymi puslaidininkiams būdingomis šilumos laidumo vertėmis (ŠTL), geru cheminiu stabilumu ir vidutiniu šilumos laidumu. Tačiau sudėtingas jų apdorojimas, didelė kaina (ypač toksiško BeO) ir trapumas riboja jų pritaikymą. Plastikinės pakuotės yra mažos kainos, lengvos ir gerai izoliuoja, tačiau pasižymi prastu šilumos laidumu ir nestabilumu aukštoje temperatūroje. Gryni metalai (Cu, Ag, Al) pasižymi dideliu šilumos laidumu, tačiau dideliu ŠTL, o lydiniai (Cu-W, Cu-Mo) pablogina šilumines savybes. Todėl skubiai reikalingos naujos pakavimo medžiagos, kuriose būtų subalansuotas didelis šilumos laidumas ir optimalus ŠTL.
| Armatūra | Šilumos laidumas (W/(m·K)) | Šilumos perdavimo koeficientas (CTE) (×10⁻⁶/℃) | Tankis (g/cm³) |
| Deimantas | 700–2000 | 0,9–1,7 | 3.52 |
| BeO dalelės | 300 | 4.1 | 3.01 |
| AlN dalelės | 150–250 | 2,69 | 3.26 |
| SiC dalelės | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| B₄C dalelės | 29–67 | 4.4 | 2.52 |
| Boro pluoštas | 40 | ~5,0 | 2.6 |
| TiC dalelės | 40 | 7.4 | 4.92 |
| Al₂O₃ dalelės | 20–40 | 4.4 | 3,98 |
| SiC ūsai | 32 | 3.4 | – |
| Si₃N₄ dalelės | 28 | 1.44 | 3.18 |
| TiB₂ dalelės | 25 | 4.6 | 4.5 |
| SiO₂ dalelės | 1.4 | <1,0 | 2,65 |
Deimantas, kiečiausia žinoma natūrali medžiaga (Mohso skalė 10), taip pat pasižymi išskirtinėmis savybėmisšilumos laidumas (200–2200 W/(m·K)).
Deimantiniai mikromilteliai
Varis, su didelis šilumos / elektros laidumas (401 W/(m·K)), tąsumas ir ekonomiškumas yra plačiai naudojami integrinėse grandinėse.
Sujungus šias savybes,deimanto/vario (Dia/Cu) kompozitai– su Cu kaip matrica ir deimantu kaip armatūra – tampa naujos kartos šilumos valdymo medžiagomis.
02 Pagrindiniai gamybos metodai
Įprasti deimantų/vario gamybos metodai yra šie: miltelių metalurgija, aukštos temperatūros ir aukšto slėgio metodas, lydalo panardinimo metodas, plazminio išlydymo sukepinimo metodas, šaltojo purškimo metodas ir kt.
Skirtingų vienadalelių deimanto/vario kompozitų paruošimo metodų, procesų ir savybių palyginimas
| Parametras | Miltelių metalurgija | Vakuuminis karšto presavimo | Kibirkštinio plazminio sukepinimo (SPS) | Aukšto slėgio ir aukštos temperatūros (HPHT) | Šalto purškimo nusodinimas | Lydymosi infiltracija |
| Deimanto tipas | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | PDA | MBD8/HHD |
| Matrica | 99,8 % Cu miltelių | 99,9 % elektrolitinių Cu miltelių | 99,9 % Cu miltelių | Lydinio / gryno Cu milteliai | Gryni Cu milteliai | Gryno Cu birių/strypų |
| Sąsajos modifikavimas | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Dalelių dydis (μm) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Tūrio dalis (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| Temperatūra (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 m. | 350 | 1100–1300 m. |
| Slėgis (MPa) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| Laikas (min.) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Santykinis tankis (%) | 98,5 | 99,2–99,7 | – | – | – | 99,4–99,7 |
| Našumas | ||||||
| Optimalus šilumos laidumas (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
Įprasti Dia/Cu kompozito metodai apima:
(1)Miltelių metalurgija
Sumaišyti deimantų/Cu milteliai yra suspaudžiami ir sukepinami. Nors šis metodas yra ekonomiškas ir paprastas, jis leidžia gauti ribotą tankį, nehomogenines mikrostruktūras ir ribotus mėginio matmenis.
Sintering vienetas
(1)Aukšto slėgio ir aukštos temperatūros (HPHT)
Naudojant daugiapriekalinius presus, išlydytas varis ekstremaliomis sąlygomis infiltruojasi į deimantų gardeles ir gamina tankius kompozitus. Tačiau HPHT procesui reikalingos brangios formos, todėl jis netinka didelio masto gamybai.
Cubic spauda
(1)Lydymosi infiltracija
Išlydytas varis prasiskverbia į deimantinius ruošinius slėgio arba kapiliarų sukeltos infiltracijos būdu. Gauti kompozitai pasiekia >446 W/(m·K) šilumos laidumą.
(2)Kibirkštinio plazminio sukepinimo (SPS)
Impulsinė srovė greitai sukepina sumaišytus miltelius esant slėgiui. Nors SPS yra efektyvus, jo charakteristikos blogėja, kai deimantų dalis viršija 65 tūrio %.
Išlydžio plazminio sukepinimo sistemos schema
(5) Šaltasis purškimas
Milteliai yra greitinami ir nusodinami ant substratų. Šis naujas metodas susiduria su iššūkiais, susijusiais su paviršiaus apdailos kontrole ir terminio efektyvumo patvirtinimu.
03 Sąsajos modifikavimas
Kompozitinių medžiagų gamybai būtina sąlyga – abipusis komponentų drėkinimas. Tai svarbus veiksnys, turintis įtakos sąsajos struktūrai ir sąsajos sukibimo būklei. Nesudrėkinta deimanto ir Cu sąsaja lemia labai didelę sąsajos šiluminę varžą. Todėl labai svarbu atlikti modifikavimo tyrimus šioje sąsajoje, naudojant įvairias technines priemones. Šiuo metu yra du pagrindiniai metodai, kaip išspręsti deimanto ir Cu matricos sąsajos problemą: (1) deimanto paviršiaus modifikavimas; (2) vario matricos legiruojantis apdorojimas.
Modifikacijos schema: (a) Tiesioginis deimanto paviršiaus padengimas; (b) Matricos legiravimas
(1) Deimanto paviršiaus modifikavimas
Aktyviųjų elementų, tokių kaip Mo, Ti, W ir Cr, padengimas ant armatūros fazės paviršiaus sluoksnio gali pagerinti deimanto tarpfazines savybes ir taip padidinti jo šilumos laidumą. Sukepinimas gali leisti minėtiems elementams reaguoti su deimantų miltelių paviršiuje esančia anglimi ir sudaryti karbido pereinamąjį sluoksnį. Tai optimizuoja deimanto ir metalo pagrindo drėkinimo būseną, o danga gali užkirsti kelią deimanto struktūros pokyčiams aukštoje temperatūroje.
(2) Vario matricos legiravimas
Prieš pradedant medžiagų apdorojimą, atliekamas metalinio vario išankstinis legiravimas, kurio metu galima gauti kompozicines medžiagas, pasižyminčias dideliu šilumos laidumu. Vario matricoje esantys legiruojantys aktyvieji elementai gali ne tik efektyviai sumažinti drėkinimo kampą tarp deimanto ir vario, bet ir sukurti karbido sluoksnį, kuris po reakcijos deimanto ir Cu sąsajoje yra tirpus vario matricoje. Tokiu būdu modifikuojami ir užpildomi dauguma medžiagos sąsajoje esančių tarpų, taip pagerinant šilumos laidumą.
04 Išvada
Įprastos pakavimo medžiagos nesugeba valdyti pažangių lustų skleidžiamos šilumos. Dia/Cu kompozitai, pasižymintys reguliuojamu CTE ir itin dideliu šilumos laidumu, yra transformacinis sprendimas naujos kartos elektronikai.
Būdama aukštųjų technologijų įmone, integruojančia pramonę ir prekybą, „XKH“ daugiausia dėmesio skiria deimantų/vario kompozitų ir didelio našumo metalo matricos kompozitų, tokių kaip SiC/Al ir Gr/Cu, tyrimams, plėtrai ir gamybai, teikdama novatoriškus šilumos valdymo sprendimus, kurių šilumos laidumas viršija 900 W/(m·K), elektroninių pakuočių, galios modulių ir aviacijos bei kosmoso sritims.
XKH„s Deimantinio vario danga padengta laminuota kompozicinė medžiaga:
Įrašo laikas: 2025 m. gegužės 12 d.