Desde a década de 1980, a densidade de integración dos circuítos electrónicos aumentou a unha taxa anual de 1,5× ou máis rápido. Unha maior integración leva a maiores densidades de corrente e xeración de calor durante o funcionamento.Se non se disipa de xeito eficiente, esta calor pode causar fallos térmicos e reducir a vida útil dos compoñentes electrónicos.
Para satisfacer as crecentes demandas de xestión térmica, están a investigarse e optimizarse exhaustivamente materiais avanzados de envasado electrónico con condutividade térmica superior.
Material composto de diamante/cobre
01 Diamante e cobre
Entre os materiais de envasado tradicionais inclúense a cerámica, os plásticos, os metais e as súas aliaxes. As cerámicas como o BeO e o AlN presentan uns CTE que se corresponden cos semicondutores, unha boa estabilidade química e unha condutividade térmica moderada. Non obstante, o seu complexo procesamento, o seu alto custo (especialmente o BeO tóxico) e a súa fraxilidade limitan as aplicacións. Os envases de plástico ofrecen baixo custo, peso lixeiro e illamento, pero sofren dunha mala condutividade térmica e inestabilidade a altas temperaturas. Os metais puros (Cu, Ag, Al) teñen unha alta condutividade térmica pero un CTE excesivo, mentres que as aliaxes (Cu-W, Cu-Mo) comprometen o rendemento térmico. Polo tanto, necesítanse urxentemente novos materiais de envasado que equilibren unha alta condutividade térmica e un CTE óptimo.
| Reforzo | Condutividade térmica (W/(m·K)) | CTE (×10⁻⁶/℃) | Densidade (g/cm³) |
| Diamante | 700–2000 | 0,9–1,7 | 3.52 |
| Partículas de BeO | 300 | 4.1 | 3.01 |
| Partículas de AlN | 150–250 | 2,69 | 3.26 |
| Partículas de SiC | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| Partículas B₄C | 29–67 | 4.4 | 2,52 |
| fibra de boro | 40 | ~5,0 | 2.6 |
| Partículas de TiC | 40 | 7.4 | 4,92 |
| Partículas de Al₂O₃ | 20–40 | 4.4 | 3,98 |
| bigotes de SiC | 32 | 3.4 | – |
| Partículas de Si₃N₄ | 28 | 1,44 | 3.18 |
| Partículas de TiB₂ | 25 | 4.6 | 4.5 |
| Partículas de SiO₂ | 1.4 | <1,0 | 2,65 |
Diamante, o material natural máis duro coñecido (Mohs 10), tamén posúe excepcionaiscondutividade térmica (200–2200 W/(m·K)).
Micropó de diamante
Cobre, con alta condutividade térmica/eléctrica (401 W/(m·K)), ductilidade e eficiencia de custos, úsase amplamente nos circuítos integrados.
Combinando estas propiedades,compostos de diamante/cobre (Dia/Cu).—co Cu como matriz e o diamante como reforzo— están a emerxer como materiais de xestión térmica de próxima xeración.
02 Métodos clave de fabricación
Os métodos habituais para a preparación de diamante/cobre inclúen: metalurxia de po, método de alta temperatura e alta presión, método de inmersión por fusión, método de sinterización por plasma de descarga, método de pulverización en frío, etc.
Comparación de diferentes métodos de preparación, procesos e propiedades de materiais compostos de diamante/cobre de tamaño de partícula única
| Parámetro | Metalurxia do po | Prensado en quente ao baleiro | Sinterización por plasma de chispa (SPS) | Alta presión e alta temperatura (HPHT) | Deposición por pulverización en frío | Infiltración de fusión |
| Tipo de diamante | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | PDA | MBD8/HHD |
| Matriz | 99,8 % de po de Cu | Po de Cu electrolítico ao 99,9 % | 99,9% de po de Cu | Liga/po de Cu puro | Po de Cu puro | Cu puro a granel/barra |
| Modificación da interface | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Tamaño das partículas (μm) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Fracción de volume (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| Temperatura (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| Presión (MPa) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| Tempo (min) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Densidade relativa (%) | 98,5 | 99,2–99,7 | – | – | – | 99,4–99,7 |
| Rendemento | ||||||
| Condutividade térmica óptima (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
As técnicas compostas comúns de Dia/Cu inclúen:
(1)Metalurxia do po
Os pos mesturados de diamante/Cu compáctanse e sintéranse. Aínda que é rendible e sinxelo, este método produce unha densidade limitada, microestruturas non homoxéneas e dimensións de mostra restrinxidas.
Sunidade de internamento
(1)Alta presión e alta temperatura (HPHT)
Usando prensas de varios anzoles, o Cu fundido infíltrase nas redes de diamante en condicións extremas, producindo materiais compostos densos. Non obstante, a HPHT require moldes caros e non é axeitada para a produción a grande escala.
Cprensa ubic
(1)Infiltración de fusión
O Cu fundido permea as preformas de diamante mediante infiltración asistida por presión ou impulsada por capilaridade. Os materiais compostos resultantes alcanzan unha condutividade térmica de >446 W/(m·K).
(2)Sinterización por plasma de chispa (SPS)
A corrente pulsada sinteriza rapidamente pós mesturados baixo presión. Aínda que eficiente, o rendemento do SPS degrádase con fraccións de diamante >65 vol.
Diagrama esquemático do sistema de sinterización por plasma de descarga
(5) Deposición por pulverización en frío
Os pos aceleranse e deposítanse sobre substratos. Este método incipiente enfronta desafíos no control do acabado superficial e na validación do rendemento térmico.
03 Modificación da interface
Para a preparación de materiais compostos, a humectación mutua entre os compoñentes é un requisito previo necesario para o proceso composto e un factor importante que afecta a estrutura da interface e o estado de unión da interface. A condición de non humectación na interface entre o diamante e o Cu leva a unha resistencia térmica da interface moi alta. Polo tanto, é moi importante levar a cabo investigacións de modificación na interface entre os dous a través de diversos medios técnicos. Na actualidade, existen principalmente dous métodos para mellorar o problema da interface entre o diamante e a matriz de Cu: (1) Tratamento de modificación superficial do diamante; (2) Tratamento de aliaxe da matriz de cobre.
Diagrama esquemático de modificación: (a) Chapado directo na superficie do diamante; (b) Aleación matricial
(1) Modificación da superficie do diamante
O revestimento de elementos activos como Mo, Ti, W e Cr na capa superficial da fase de reforzo pode mellorar as características interfaciais do diamante, aumentando así a súa condutividade térmica. A sinterización pode permitir que os elementos anteriores reaccionen co carbono na superficie do po de diamante para formar unha capa de transición de carburo. Isto optimiza o estado de humectación entre o diamante e a base metálica, e o revestimento pode evitar que a estrutura do diamante cambie a altas temperaturas.
(2) Aleación da matriz de cobre
Antes do procesamento composto de materiais, realízase un tratamento de prealiaxe no cobre metálico, o que pode producir materiais compostos con condutividade térmica xeralmente alta. O dopado de elementos activos na matriz de cobre non só pode reducir eficazmente o ángulo de molladura entre o diamante e o cobre, senón tamén xerar unha capa de carburo que é sólida e soluble na matriz de cobre na interface diamante/Cu despois da reacción. Deste xeito, a maioría dos ocos existentes na interface do material modifícanse e énchense, mellorando así a condutividade térmica.
04 Conclusión
Os materiais de envasado convencionais son insuficientes para xestionar a calor dos chips avanzados. Os materiais compostos de diafragma/cu, con CTE axustable e condutividade térmica ultraalta, representan unha solución transformadora para a electrónica de próxima xeración.
Como empresa de alta tecnoloxía que integra industria e comercio, XKH céntrase na investigación, desenvolvemento e produción de materiais compostos de diamante/cobre e materiais compostos de matriz metálica de alto rendemento como SiC/Al e Gr/Cu, proporcionando solucións innovadoras de xestión térmica cunha condutividade térmica de máis de 900 W/(m·K) para os campos do envasado electrónico, os módulos de potencia e a industria aeroespacial.
XKH'Material composto laminado revestido de cobre diamante:
Data de publicación: 12 de maio de 2025