Zënter den 1980er Joren ass d'Integratiounsdicht vun elektronesche Schaltungen ëm 1,5 Mol oder méi séier jäerlech zougeholl. Eng méi héich Integratioun féiert zu méi héije Stroumdichten an Hëtztentwécklung während dem Betrib.Wann dës Hëtzt net effizient ofgeleet gëtt, kann se zu engem thermesche Feeler féieren an d'Liewensdauer vun elektronesche Komponenten verkierzen.
Fir den eskaléierenden Ufuerderungen am Beräich vun der thermescher Gestioun gerecht ze ginn, ginn fortgeschratt elektronesch Verpackungsmaterialien mat iwwerleeëner thermescher Leetfäegkeet extensiv erfuerscht an optimiséiert.
Diamant/Koffer-Kompositmaterial
01 Diamant a Koffer
Traditionell Verpackungsmaterialien enthalen Keramik, Plastik, Metaller a Legierungen dovun. Keramik wéi BeO2 an AlN weisen eng ähnlech Strukturteilung (CTE) wéi Halbleiter, eng gutt chemesch Stabilitéit a mëttelméisseg Wärmeleitfäegkeet. Wéinst hirer komplexer Veraarbechtung, héije Käschten (besonnesch gëfteger BeO2) a Bréchegkeet sinn d'Uwendungsméiglechkeeten awer limitéiert. Plastikverpackunge bidden niddreg Käschten, e liicht Gewiicht an eng gutt Isolatioun, awer si leiden ënner enger schlechter Wärmeleitfäegkeet an enger Instabilitéit bei héijen Temperaturen. Reng Metaller (Cu, Ag, Al) hunn eng héich Wärmeleitfäegkeet, awer eng exzessiv CTE, während Legierungen (Cu-W, Cu-Mo) d'thermesch Leeschtung kompromittéieren. Dofir gëtt dringend nei Verpackungsmaterialien gebraucht, déi eng héich Wärmeleitfäegkeet an eng optimal CTE am Gläichgewiicht bréngen.
| Verstäerkung | Wärmeleitfäegkeet (W/(m·K)) | CTE (×10⁻⁶/℃) | Dicht (g/cm³) |
| Diamant | 700–2000 | 0,9–1,7 | 3,52 |
| BeO2-Partikelen | 300 | 4.1 | 3.01 |
| AlN-Partikelen | 150–250 | 2,69 | 3.26 |
| SiC-Partikelen | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| B₄C-Partikelen | 29–67 | 4.4 | 2,52 |
| Borfaser | 40 | ~5.0 | 2.6 |
| TiC-Partikelen | 40 | 7.4 | 4,92 |
| Al₂O₃-Partikelen | 20–40 | 4.4 | 3,98 |
| SiC-Schnurres | 32 | 3.4 | – |
| Si₃N₄-Partikelen | 28 | 1,44 | 3.18 |
| TiB₂-Partikelen | 25 | 4.6 | 4.5 |
| SiO₂-Partikelen | 1.4 | <1.0 | 2,65 |
Diamant, dat haardst bekannt Naturmaterial (Mohs 10), huet och aussergewéinlech EegeschaftenWärmeleitfäegkeet (200–2200 W/(m·K)).
Diamant-Mikropulver
Koffer, mat héich thermesch/elektresch Leetfäegkeet (401 W/(m·K)), Duktilitéit a Käschteeffizienz, gëtt wäit verbreet an ICs benotzt.
Dës Eegeschafte kombinéieren,Diamant/Kupfer (Dia/Cu) Komposit—mat Cu als Matrix an Diamant als Verstäerkung — entwéckelen sech als Materialien fir d'Wärmemanagement vun der nächster Generatioun.
02 Schlëssel Fabrikatiounsmethoden
Déi üblech Methode fir d'Virbereedung vun Diamant/Koffer sinn: Pulvermetallurgie, Héichtemperatur- a Héichdrockmethod, Schmelzimmerungsmethod, Entladungsplasmasintermethod, Kaltsprëtzmethod, etc.
Vergläich vu verschiddene Virbereedungsmethoden, Prozesser an Eegeschafte vun Diamant/Koffer-Kompositen mat enger eenzeger Partikelgréisst
| Parameter | Pulvermetallurgie | Vakuum-Heisspressen | Spark Plasma Sintering (SPS) | Héichdrock-Héichtemperatur (HPHT) | Kale Sprëtzoflagerung | Schmelzinfiltratioun |
| Diamant Typ | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | PDA | MBD8/HHD |
| Matrix | 99,8% Cu-Pulver | 99,9% elektrolytescht Cu-Pulver | 99,9% Cu-Pulver | Legierung/reint Cu-Pulver | Rengt Cu-Pulver | Pure Cu Bulk/Staang |
| Interface-Modifikatioun | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Partikelgréisst (μm) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Volumenundeel (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| Temperatur (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| Drock (MPa) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| Zäit (Minutten) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Relativ Dicht (%) | 98,5 | 99,2–99,7 | – | – | – | 99,4–99,7 |
| Leeschtung | ||||||
| Optimal Wärmeleitfäegkeet (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
Gemeinsam Dia / Cu Komposit Techniken enthalen:
(1)Pulvermetallurgie
Gemëschte Diamant/Cu-Pulver ginn kompaktéiert a gesintert. Obwuel dës Method kosteneffektiv an einfach ass, ergëtt se eng limitéiert Dicht, inhomogen Mikrostrukturen a limitéiert Proufdimensioune.
SInterieur Eenheet
(1)Héichdrock-Héichtemperatur (HPHT)
Mat Hëllef vu Multi-Ambosspressen infiltréiert geschmollte Cu ënner extremen Bedéngungen Diamantgitter a produzéiert dicht Kompositmaterialien. HPHT erfuerdert awer deier Formen an ass net gëeegent fir eng grouss Produktioun.
Cubic Press
(1)Schmelzinfiltratioun
Geschmollte Cu penetréiert Diamant-Preformen iwwer Drock-ënnerstëtzt oder kapillär-gedriwwen Infiltratioun. Déi resultéierend Kompositmaterialien erreechen eng Wärmeleitfäegkeet vu >446 W/(m·K).
(2)Spark Plasma Sintering (SPS)
Pulséierte Stroum sintert gemëschte Pulver séier ënner Drock. Obwuel effizient, verschlechtert sech d'SPS-Leeschtung bei Diamantundeeler >65 Vol.%.
Schematesch Grafik vum Entladungsplasmasintersystem
(5) Kalt Sprëtzofsetzung
Pulver ginn beschleunegt an op Substrater ofgesat. Dës nei Method steet virun Erausfuerderungen an der Kontroll vun der Uewerflächenqualitéit an der Validéierung vun der thermescher Leeschtung.
03 Interface-Modifikatioun
Fir d'Virbereedung vu Kompositmaterialien ass déi géigesäiteg Befeuchtung tëscht de Komponenten eng néideg Viraussetzung fir de Kompositprozess an e wichtege Faktor, deen d'Grenzflächenstruktur an den Zoustand vun der Grenzflächenbindung beaflosst. Den Net-Befeuchtungszoustand op der Grenzfläch tëscht Diamant a Cu féiert zu engem ganz héijen thermesche Widderstand vun der Grenzfläch. Dofir ass et ganz wichteg, Modifikatiounsfuerschung op der Grenzfläch tëscht deenen zwee duerch verschidde technesch Mëttelen duerchzeféieren. Am Moment ginn et haaptsächlech zwou Methoden fir d'Grenzflächenproblem tëscht Diamant a Cu-Matrix ze verbesseren: (1) Uewerflächenmodifikatiounsbehandlung vum Diamant; (2) Legierungsbehandlung vun der Kupfermatrix.
Modifikatiounsschema: (a) Direkt Beschichtung op der Uewerfläch vum Diamant; (b) Matrixlegierung
(1) Uewerflächenmodifikatioun vun Diamanten
D'Plackéiere vun aktiven Elementer wéi Mo, Ti, W a Cr op der Uewerflächenschicht vun der Verstäerkungsphase kann d'Grenzflächeneigenschaften vum Diamant verbesseren an doduerch seng thermesch Leetfäegkeet erhéijen. D'Sinterung kann et den uewe genannten Elementer erméiglechen, mam Kuelestoff op der Uewerfläch vum Diamantpulver ze reagéieren, fir eng Karbid-Iwwergangsschicht ze bilden. Dëst optimiséiert den Naassungszoustand tëscht dem Diamant an der Metallbasis, an d'Beschichtung kann verhënneren, datt d'Struktur vum Diamant sech bei héijen Temperaturen ännert.
(2) Legierung vun der Kupfermatrix
Virun der Veraarbechtung vu Kompositmaterialien gëtt eng Virlegierung um metallesche Koffer duerchgefouert, wat Kompositmaterialien mat allgemeng héijer Wärmeleitfäegkeet produzéiere kann. D'Dotierung vun aktiven Elementer an der Koffermatrix kann net nëmmen effektiv de Benetzungswénkel tëscht Diamant a Koffer reduzéieren, mä och eng Karbidschicht generéieren, déi no der Reaktioun fest an an der Koffermatrix op der Diamant/Cu-Grenzfläche léislech ass. Op dës Manéier ginn déi meescht Lücken, déi op der Materialgrenzfläche existéieren, modifizéiert a gefëllt, wouduerch d'Wärmeleitfäegkeet verbessert gëtt.
04 Schlussfolgerung
Konventionell Verpackungsmaterialien kommen net dobäi, d'Hëtzt vun fortgeschrattene Chips ze bewältegen. Dia/Cu-Kompositmaterialien, mat ofstëmmenbarer CTE an ultrahéijer thermescher Leetfäegkeet, stellen eng transformativ Léisung fir d'Elektronik vun der nächster Generatioun duer.
Als High-Tech-Entreprise, déi Industrie an Handel integréiert, konzentréiert sech XKH op d'Fuerschung, d'Entwécklung an d'Produktioun vun Diamant/Koffer-Kompositen a performante Metallmatrix-Kompositen wéi SiC/Al a Gr/Cu, a bitt innovativ Wärmemanagementléisungen mat enger Wärmeleitfäegkeet vu méi wéi 900 W/(m·K) fir d'Beräicher elektronesch Verpackung, Energiemoduler an Loftfaart.
XKH's Diamantkupferbeschichtete Laminat-Kompositmaterial:
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 12. Mee 2025