Az 1980-as évek óta az elektronikus áramkörök integrációs sűrűsége évi 1,5-szeres vagy gyorsabb ütemben növekszik. A nagyobb integráció nagyobb áramsűrűséget és hőtermelést eredményez működés közben.Ha nem oszlik el hatékonyan, ez a hő hőkárosodást okozhat és csökkentheti az elektronikus alkatrészek élettartamát.
A fokozódó hőkezelési igények kielégítése érdekében széles körben kutatják és optimalizálják a kiváló hővezető képességű, fejlett elektronikus csomagolóanyagokat.
Gyémánt/réz kompozit anyag
01 Gyémánt és réz
A hagyományos csomagolóanyagok közé tartoznak a kerámiák, műanyagok, fémek és ötvözeteik. Az olyan kerámiák, mint a BeO és az AlN, a félvezetőknek megfelelő hőtágulási együtthatóval (WTE) rendelkeznek, jó kémiai stabilitással és mérsékelt hővezető képességgel. Azonban bonyolult feldolgozásuk, magas költségük (különösen a mérgező BeO) és ridegségük korlátozza az alkalmazási lehetőségeket. A műanyag csomagolások alacsony költséggel, könnyű súlylal és szigetelőképességgel rendelkeznek, de rossz hővezető képességgel és magas hőmérsékleti instabilitással rendelkeznek. A tiszta fémek (Cu, Ag, Al) magas hővezető képességgel rendelkeznek, de túlzott WTE-vel, míg az ötvözetek (Cu-W, Cu-Mo) rontják a hőteljesítményt. Ezért sürgősen szükség van olyan új csomagolóanyagokra, amelyek egyensúlyban tartják a magas hővezető képességet és az optimális WTE-t.
| Megerősítés | Hővezető képesség (W/(m·K)) | HTE (×10⁻⁶/℃) | Sűrűség (g/cm³) |
| Gyémánt | 700–2000 | 0,9–1,7 | 3.52 |
| BeO részecskék | 300 | 4.1 | 3.01 |
| AlN-részecskék | 150–250 | 2.69 | 3.26 |
| SiC részecskék | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| B₄C részecskék | 29–67 | 4.4 | 2.52 |
| Bórrost | 40 | ~5,0 | 2.6 |
| TiC részecskék | 40 | 7.4 | 4.92 |
| Al₂O₃ részecskék | 20–40 | 4.4 | 3,98 |
| SiC bajusz | 32 | 3.4 | – |
| Si₃N₄ részecskék | 28 | 1.44 | 3.18 |
| TiB₂ részecskék | 25 | 4.6 | 4.5 |
| SiO₂ részecskék | 1.4 | <1,0 | 2,65 |
Gyémánt, a legkeményebb ismert természetes anyag (Mohs 10), kivételes tulajdonságokkal is rendelkezikhővezető képesség (200–2200 W/(m·K)).
Gyémánt mikropor
Réz, -vel magas hő- és elektromos vezetőképesség (401 W/(m·K)), a képlékenység és a költséghatékonyság széles körben használatos az integrált áramkörökben.
Ezen tulajdonságok kombinálása,gyémánt/réz (Dia/Cu) kompozitok– rézzel mint mátrixanyaggal és gyémánttal mint erősítőanyaggal – a következő generációs hőkezelő anyagokként jelennek meg.
02 Kulcsfontosságú gyártási módszerek
A gyémánt/réz előállításának elterjedt módszerei közé tartozik a porkohászat, a magas hőmérsékletű és nagynyomású módszer, az olvadékmerítéses módszer, a plazma szinterezési módszer, a hidegszórásos módszer stb.
Különböző előállítási módszerek, folyamatok és egyrészecske méretű gyémánt/réz kompozitok tulajdonságainak összehasonlítása
| Paraméter | Porkohászat | Vákuum-meleg sajtolás | Szikra-plazma szinterezés (SPS) | Nagynyomású, magas hőmérsékletű (HPHT) | Hideg porlasztásos lerakódás | Olvadék beszivárgása |
| Gyémánt típus | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | PDA | MBD8/HHD |
| Mátrix | 99,8%-os rézpor | 99,9%-os elektrolitikus rézpor | 99,9%-os rézpor | Ötvözet/tiszta rézpor | Tiszta rézpor | Tiszta réz tömb/rúd |
| Interfész módosítása | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Részecskeméret (μm) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Térfogatarány (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| Hőmérséklet (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| Nyomás (MPa) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| Idő (perc) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Relatív sűrűség (%) | 98,5 | 99,2–99,7 | – | – | – | 99,4–99,7 |
| Teljesítmény | ||||||
| Optimális hővezető képesség (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
A gyakori Dia/Cu kompozit technikák a következők:
(1)Porkohászat
A vegyes gyémánt/réz porokat tömörítik és szinterelik. Bár költséghatékony és egyszerű, ez a módszer korlátozott sűrűséget, inhomogén mikroszerkezeteket és korlátozott mintaméreteket eredményez.
Sintering egység
(1)Nagynyomású, magas hőmérsékletű (HPHT)
Többüllős prések segítségével az olvadt réz extrém körülmények között behatol a gyémántrácsokba, sűrű kompozitokat hozva létre. A HPHT azonban drága formákat igényel, és alkalmatlan nagyüzemi gyártásra.
Cubikus sajtó
(1)Olvadék beszivárgása
Az olvadt réz nyomásrásegítéses vagy kapilláris vezérlésű infiltráció révén hatol be a gyémánt előformákba. A kapott kompozitok >446 W/(m·K) hővezető képességet érnek el.
(2)Szikra-plazma szinterezés (SPS)
Az impulzusáram nyomás alatt gyorsan szinterezi a kevert porokat. Bár hatékony, az SPS teljesítménye 65 térfogatszázaléknál nagyobb gyémántarány esetén romlik.
A kisüléses plazma szinterező rendszer vázlatos rajza
(5) Hideg porlasztásos lerakódás
A porokat felgyorsítják és lerakják az aljzatra. Ez a kezdeti módszer kihívásokkal néz szembe a felületkezelés és a hőteljesítmény validálása terén.
03 Felületmódosítás
A kompozit anyagok előállításához az alkatrészek kölcsönös nedvesítése szükséges előfeltétele a kompozit eljárásnak, és fontos tényező, amely befolyásolja a határfelületi szerkezetet és a határfelületi kötési állapotot. A gyémánt és a réz közötti határfelület nem nedvesedési állapota nagyon magas határfelületi hőállóságot eredményez. Ezért nagyon fontos a két határfelület módosítására irányuló kutatások elvégzése különböző technikai eszközökkel. Jelenleg főként két módszer létezik a gyémánt és a réz mátrix közötti határfelületi probléma javítására: (1) A gyémánt felületmódosító kezelése; (2) A réz mátrix ötvözős kezelése.
Módosítási vázlat: (a) Közvetlen bevonatolás a gyémánt felületére; (b) Mátrixötvözés
(1) A gyémánt felületmódosítása
Az olyan aktív elemek, mint a Mo, Ti, W és Cr bevonása az erősítő fázis felületi rétegére javíthatja a gyémánt határfelületi jellemzőit, ezáltal növelve hővezető képességét. A szinterezés lehetővé teszi, hogy a fenti elemek reakcióba lépjenek a gyémántpor felületén lévő szénnel, és karbid átmeneti réteget képezzenek. Ez optimalizálja a gyémánt és a fémalap közötti nedvesítési állapotot, és a bevonat megakadályozhatja a gyémánt szerkezetének megváltozását magas hőmérsékleten.
(2) A rézmátrix ötvözése
Az anyagok kompozit feldolgozása előtt előötvözést végeznek a fémes rézön, amely általában nagy hővezető képességű kompozit anyagokat eredményezhet. A rézmátrixba adalékoló aktív elemek nemcsak a gyémánt és a réz közötti nedvesítési szöget csökkenthetik hatékonyan, hanem egy karbid réteget is létrehozhatnak, amely a reakció után szilárdan oldódik a rézmátrixban a gyémánt/Cu határfelületen. Ily módon az anyaghatáron lévő rések nagy része módosul és kitöltődik, ezáltal javítva a hővezető képességet.
04 Konklúzió
A hagyományos csomagolóanyagok nem képesek kezelni a fejlett chipek hőjét. A hangolható hőtágulási együtthatóval (CTE) és ultramagas hővezető képességgel rendelkező dia/rú kompozitok átalakító megoldást jelentenek a következő generációs elektronika számára.
Az XKH, mint az ipart és a kereskedelmet integráló high-tech vállalat, gyémánt/réz kompozitok és nagy teljesítményű fémmátrixú kompozitok, például SiC/Al és Gr/Cu kutatására, fejlesztésére és gyártására összpontosít, innovatív hőkezelési megoldásokat kínálva 900 W/(m·K) feletti hővezető képességgel az elektronikus csomagolások, a teljesítménymodulok és a repülőgépipar területén.
XKH'Gyémánt rézbevonatú laminált kompozit anyag:
Közzététel ideje: 2025. május 12.