Des de la dècada del 1980, la densitat d'integració dels circuits electrònics ha anat augmentant a un ritme anual d'1,5× o més ràpid. Una integració més alta comporta densitats de corrent i generació de calor més elevades durant el funcionament.Si no es dissipa de manera eficient, aquesta calor pot causar fallades tèrmiques i reduir la vida útil dels components electrònics.
Per satisfer les creixents demandes de gestió tèrmica, s'estan investigant i optimitzant àmpliament materials d'envasament electrònic avançats amb una conductivitat tèrmica superior.
Material compost de diamant/coure
01 Diamant i coure
Els materials d'embalatge tradicionals inclouen ceràmica, plàstics, metalls i els seus aliatges. Ceràmiques com el BeO i l'AlN presenten uns coeficients de difusió tèrmica (CTE) que coincideixen amb els semiconductors, una bona estabilitat química i una conductivitat tèrmica moderada. Tanmateix, el seu processament complex, l'alt cost (especialment el BeO tòxic) i la fragilitat limiten les aplicacions. Els envasos de plàstic ofereixen un baix cost, un pes lleuger i aïllament, però pateixen una mala conductivitat tèrmica i inestabilitat a altes temperatures. Els metalls purs (Cu, Ag, Al) tenen una alta conductivitat tèrmica però un CTE excessiu, mentre que els aliatges (Cu-W, Cu-Mo) comprometen el rendiment tèrmic. Per tant, es necessiten urgentment nous materials d'embalatge que equilibrin una alta conductivitat tèrmica i un CTE òptim.
| Reforç | Conductivitat tèrmica (W/(m·K)) | CTE (×10⁻⁶/℃) | Densitat (g/cm³) |
| Diamant | 700–2000 | 0,9–1,7 | 3.52 |
| Partícules de BeO | 300 | 4.1 | 3.01 |
| Partícules d'AlN | 150–250 | 2,69 | 3.26 |
| Partícules de SiC | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| Partícules B₄C | 29–67 | 4.4 | 2.52 |
| fibra de bor | 40 | ~5.0 | 2.6 |
| Partícules de TiC | 40 | 7.4 | 4,92 |
| Partícules d'Al₂O₃ | 20–40 | 4.4 | 3,98 |
| bigotis de SiC | 32 | 3.4 | – |
| Partícules de Si₃N₄ | 28 | 1.44 | 3.18 |
| Partícules de TiB₂ | 25 | 4.6 | 4.5 |
| Partícules de SiO₂ | 1.4 | <1.0 | 2,65 |
Diamant, el material natural més dur conegut (Mohs 10), també posseeix unes propietats excepcionalsconductivitat tèrmica (200–2200 W/(m·K)).
Micropols de diamant
Coure, amb alta conductivitat tèrmica/elèctrica (401 W/(m·K)), ductilitat i eficiència de costos, s'utilitza àmpliament en circuits integrats.
Combinant aquestes propietats,compostos de diamant/coure (Dia/Cu).—amb Cu com a matriu i diamant com a reforç— estan emergint com a materials de gestió tèrmica de nova generació.
02 Mètodes clau de fabricació
Els mètodes habituals per a la preparació de diamants/coure inclouen: metal·lúrgia en pols, mètode d'alta temperatura i alta pressió, mètode d'immersió per fusió, mètode de sinterització per plasma de descàrrega, mètode de polvorització en fred, etc.
Comparació de diferents mètodes de preparació, processos i propietats de compostos de diamant/coure de mida única
| Paràmetre | metal·lúrgia en pols | Premsat en calent al buit | Sinterització per plasma de guspira (SPS) | Alta pressió i alta temperatura (HPHT) | Deposició per polvorització en fred | Infiltració de fosa |
| Tipus de diamant | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | PDA | MBD8/HHD |
| Matriu | 99,8% de pols de Cu | 99,9% de pols de Cu electrolític | 99,9% de pols de Cu | Aliatge/pols de Cu pur | Pols de Cu pur | Cu pur a granel/vareta |
| Modificació de la interfície | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Mida de partícula (μm) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Fracció de volum (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| Temperatura (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| Pressió (MPa) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| Temps (min) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Densitat relativa (%) | 98,5 | 99,2–99,7 | – | – | – | 99,4–99,7 |
| Rendiment | ||||||
| Conductivitat tèrmica òptima (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
Les tècniques comunes de compost Dia/Cu inclouen:
(1)metal·lúrgia en pols
Les pols mixtes de diamant/Cu es compacten i sinteritzen. Tot i que és rendible i senzill, aquest mètode produeix una densitat limitada, microestructures heterogènies i dimensions de mostra restringides.
Sunitat d'internament
(1)Alta pressió i alta temperatura (HPHT)
Mitjançant premses multi-enclusa, el Cu fos s'infiltra en xarxes de diamants en condicions extremes, produint compostos densos. Tanmateix, l'HPHT requereix motlles cars i no és adequat per a la producció a gran escala.
Cpremsa úbica
(1)Infiltració de fosa
El Cu fos impregna les preformes de diamant mitjançant infiltració assistida per pressió o impulsada per capil·laritat. Els compostos resultants aconsegueixen una conductivitat tèrmica de >446 W/(m·K).
(2)Sinterització per plasma de guspira (SPS)
El corrent pulsat sintetitza ràpidament pols mixtes sota pressió. Tot i que és eficient, el rendiment de l'SPS es degrada a fraccions de diamant >65% en volum.
Diagrama esquemàtic del sistema de sinterització per plasma de descàrrega
(5) Deposició per polvorització en fred
Les pols s'acceleren i es dipositen sobre substrats. Aquest mètode naixent s'enfronta a reptes en el control de l'acabat superficial i la validació del rendiment tèrmic.
03 Modificació de la interfície
Per a la preparació de materials compostos, la mullada mútua entre els components és un requisit previ necessari per al procés compost i un factor important que afecta l'estructura de la interfície i l'estat d'unió de la interfície. La condició de no mullada a la interfície entre el diamant i el Cu condueix a una resistència tèrmica de la interfície molt alta. Per tant, és molt crucial dur a terme investigacions de modificació a la interfície entre els dos a través de diversos mitjans tècnics. Actualment, hi ha principalment dos mètodes per millorar el problema de la interfície entre el diamant i la matriu de Cu: (1) Tractament de modificació superficial del diamant; (2) Tractament d'aliatge de la matriu de coure.
Diagrama esquemàtic de modificació: (a) Revestiment directe a la superfície del diamant; (b) Aliatge matricial
(1) Modificació superficial del diamant
El recobriment d'elements actius com ara Mo, Ti, W i Cr a la capa superficial de la fase de reforç pot millorar les característiques interfacials del diamant, augmentant així la seva conductivitat tèrmica. La sinterització pot permetre que els elements anteriors reaccionin amb el carboni a la superfície de la pols de diamant per formar una capa de transició de carbur. Això optimitza l'estat d'humectació entre el diamant i la base metàl·lica, i el recobriment pot evitar que l'estructura del diamant canviï a altes temperatures.
(2) Aliatge de la matriu de coure
Abans del processament compost de materials, es realitza un tractament de prealiatge sobre el coure metàl·lic, que pot produir materials compostos amb una conductivitat tèrmica generalment alta. El dopatge d'elements actius a la matriu de coure no només pot reduir eficaçment l'angle de mullada entre el diamant i el coure, sinó que també genera una capa de carbur que és sòlidament soluble a la matriu de coure a la interfície diamant/Cu després de la reacció. D'aquesta manera, la majoria dels buits existents a la interfície del material es modifiquen i s'omplen, millorant així la conductivitat tèrmica.
04 Conclusió
Els materials d'embalatge convencionals no gestionen la calor dels xips avançats. Els compostos Dia/Cu, amb CTE ajustable i conductivitat tèrmica ultraalta, representen una solució transformadora per a l'electrònica de nova generació.
Com a empresa d'alta tecnologia que integra indústria i comerç, XKH se centra en la investigació, el desenvolupament i la producció de compostos de diamant/coure i compostos de matriu metàl·lica d'alt rendiment com ara SiC/Al i Gr/Cu, proporcionant solucions innovadores de gestió tèrmica amb una conductivitat tèrmica de més de 900 W/(m·K) per als camps dels envasos electrònics, els mòduls de potència i la indústria aeroespacial.
XKH'Material compost laminat revestit de coure diamantat:
Data de publicació: 12 de maig de 2025