Sedan 1980-talet har integrationstätheten hos elektroniska kretsar ökat med en årlig takt på 1,5 gånger eller snabbare. Högre integration leder till högre strömtätheter och värmeutveckling under drift.Om värmen inte avleds effektivt kan den orsaka termiskt fel och minska livslängden på elektroniska komponenter.
För att möta de eskalerande kraven på värmehantering forskas och optimeras avancerade elektroniska förpackningsmaterial med överlägsen värmeledningsförmåga i stor utsträckning.
Diamant/koppar-kompositmaterial
01 Diamant och koppar
Traditionella förpackningsmaterial inkluderar keramik, plast, metaller och deras legeringar. Keramik som BeO och AlN uppvisar koldioxidutsläpp som matchar halvledare, god kemisk stabilitet och måttlig värmeledningsförmåga. Emellertid begränsar deras komplexa bearbetning, höga kostnad (särskilt giftig BeO) och sprödhet tillämpningarna. Plastförpackningar erbjuder låg kostnad, låg vikt och isolering men lider av dålig värmeledningsförmåga och högtemperaturinstabilitet. Rena metaller (Cu, Ag, Al) har hög värmeledningsförmåga men överdriven koldioxidutsläpp, medan legeringar (Cu-W, Cu-Mo) äventyrar termisk prestanda. Därför behövs det snarast nya förpackningsmaterial som balanserar hög värmeledningsförmåga och optimal koldioxidutsläpp.
| Förstärkning | Värmeledningsförmåga (W/(m·K)) | CTE (×10⁻⁶/℃) | Densitet (g/cm³) |
| Diamant | 700–2000 | 0,9–1,7 | 3,52 |
| BeO2-partiklar | 300 | 4.1 | 3.01 |
| AlN-partiklar | 150–250 | 2,69 | 3,26 |
| SiC-partiklar | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| B₄C-partiklar | 29–67 | 4.4 | 2,52 |
| Borfiber | 40 | ~5,0 | 2.6 |
| TiC-partiklar | 40 | 7.4 | 4,92 |
| Al₂O₃-partiklar | 20–40 | 4.4 | 3,98 |
| SiC-hårstrån | 32 | 3.4 | – |
| Si₃N₄-partiklar | 28 | 1,44 | 3.18 |
| TiB₂-partiklar | 25 | 4.6 | 4,5 |
| SiO₂-partiklar | 1.4 | <1,0 | 2,65 |
Diamant, det hårdaste kända naturmaterialet (Mohs 10), besitter också exceptionellavärmeledningsförmåga (200–2200 W/(m·K)).
Diamantmikropulver
Koppar, med hög termisk/elektrisk ledningsförmåga (401 W/(m·K)), duktilitet och kostnadseffektivitet, används ofta i integrerade kretsar.
Genom att kombinera dessa egenskaper,diamant/koppar (Dia/Cu) kompositer—med Cu som matris och diamant som armering — framstår som nästa generations värmehanteringsmaterial.
02 Viktiga tillverkningsmetoder
Vanliga metoder för att framställa diamant/koppar inkluderar: pulvermetallurgi, högtemperatur- och högtrycksmetod, smältimmersionsmetod, urladdningsplasmasintringsmetod, kallsprutningsmetod, etc.
Jämförelse av olika framställningsmetoder, processer och egenskaper hos diamant-/kopparkompositer med en partikelstorlek
| Parameter | Pulvermetallurgi | Vakuum varmpressning | Sparkplasmasintring (SPS) | Högtrycks- och högtemperaturteknik (HPHT) | Kall sprayavsättning | Smältinfiltration |
| Diamanttyp | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | Handdator | MBD8/HHD |
| Matris | 99,8 % Cu-pulver | 99,9 % elektrolytiskt Cu-pulver | 99,9 % Cu-pulver | Legering/rent Cu-pulver | Rent Cu-pulver | Ren Cu i bulk/stång |
| Gränssnittsmodifiering | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Partikelstorlek (μm) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Volymfraktion (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| Temperatur (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| Tryck (MPa) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| Tid (min) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Relativ densitet (%) | 98,5 | 99,2–99,7 | – | – | – | 99,4–99,7 |
| Prestanda | ||||||
| Optimal värmeledningsförmåga (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
Vanliga Dia/Cu-komposittekniker inkluderar:
(1)Pulvermetallurgi
Blandade diamant-/Cu-pulver komprimeras och sintras. Även om den är kostnadseffektiv och enkel, ger denna metod begränsad densitet, inhomogena mikrostrukturer och begränsade provdimensioner.
Smellanliggande enhet
(1)Högtrycks- och högtemperaturteknik (HPHT)
Med hjälp av flerstädspressar infiltrerar smält Cu diamantgitter under extrema förhållanden och producerar täta kompositer. HPHT kräver dock dyra formar och är olämplig för storskalig produktion.
Cubic press
(1)Smältinfiltration
Smält Cu penetrerar diamantpreformar via tryckassisterad eller kapillärdriven infiltration. Resulterande kompositer uppnår >446 W/(m·K) värmeledningsförmåga.
(2)Sparkplasmasintring (SPS)
Pulserad ström sintrar snabbt blandade pulver under tryck. Även om det är effektivt försämras SPS-prestanda vid diamantfraktioner >65 vol%.
Schematiskt diagram över sintringssystemet för urladdningsplasma
(5) Kallsprayavsättning
Pulver accelereras och deponeras på substrat. Denna nya metod står inför utmaningar när det gäller kontroll av ytfinish och validering av termisk prestanda.
03 Gränssnittsmodifiering
För framställning av kompositmaterial är den ömsesidiga vätningen mellan komponenterna en nödvändig förutsättning för kompositprocessen och en viktig faktor som påverkar gränssnittsstrukturen och gränssnittets bindningstillstånd. Det icke-vätande tillståndet vid gränssnittet mellan diamant och koppar leder till en mycket hög termisk resistans i gränssnittet. Därför är det mycket viktigt att bedriva modifieringsforskning på gränssnittet mellan de två genom olika tekniska medel. För närvarande finns det huvudsakligen två metoder för att förbättra gränssnittsproblemet mellan diamant och kopparmatris: (1) Ytmodifieringsbehandling av diamant; (2) Legeringsbehandling av kopparmatrisen.
Modifieringsschema: (a) Direktplätering på diamantytan; (b) Matrislegering
(1) Ytmodifiering av diamant
Att plätera aktiva element som Mo, Ti, W och Cr på ytskiktet av den förstärkande fasen kan förbättra diamantens gränssnittsegenskaper och därigenom öka dess värmeledningsförmåga. Sintring kan göra det möjligt för ovanstående element att reagera med kolet på ytan av diamantpulvret för att bilda ett övergångsskikt av karbid. Detta optimerar vättillståndet mellan diamanten och metallbasen, och beläggningen kan förhindra att diamantens struktur förändras vid höga temperaturer.
(2) Legering av kopparmatrisen
Innan kompositbearbetningen av materialen utförs förlegeringsbehandling på metallisk koppar, vilket kan producera kompositmaterial med generellt hög värmeledningsförmåga. Dopning av aktiva element i kopparmatrisen kan inte bara effektivt minska vätningsvinkeln mellan diamant och koppar, utan också generera ett karbidlager som är fast och lösligt i kopparmatrisen vid diamant/Cu-gränssnittet efter reaktionen. På detta sätt modifieras och fylls de flesta av de sprickor som finns vid materialgränssnittet, vilket förbättrar värmeledningsförmågan.
04 Slutsats
Konventionella förpackningsmaterial klarar inte värmehanteringen från avancerade kretsar. Dia/Cu-kompositer, med avstämbar CTE och ultrahög värmeledningsförmåga, representerar en transformerande lösning för nästa generations elektronik.
Som ett högteknologiskt företag som integrerar industri och handel fokuserar XKH på forskning, utveckling och produktion av diamant-/kopparkompositer och högpresterande metallmatriskompositer som SiC/Al och Gr/Cu. De tillhandahåller innovativa värmehanteringslösningar med en värmeledningsförmåga på över 900 W/(m·K) för områdena elektronisk kapsling, kraftmoduler och flyg- och rymdteknik.
XKH'Diamantkopparbeklätt laminatkompositmaterial:
Publiceringstid: 12 maj 2025