Sinds de jaren tachtig is de integratiedichtheid van elektronische schakelingen jaarlijks met een factor 1,5 of meer toegenomen. Een hogere integratie leidt tot hogere stroomdichtheden en meer warmteontwikkeling tijdens bedrijf.Als deze warmte niet efficiënt wordt afgevoerd, kan dit leiden tot thermische storingen en de levensduur van elektronische componenten verkorten.
Om aan de toenemende eisen op het gebied van thermisch beheer te voldoen, wordt er uitgebreid onderzoek gedaan naar en worden geavanceerde elektronische verpakkingsmaterialen met een superieure thermische geleidbaarheid geoptimaliseerd.
Diamant/koper composietmateriaal
01 Diamant en koper
Traditionele verpakkingsmaterialen omvatten keramiek, kunststoffen, metalen en hun legeringen. Keramiek zoals BeO en AlN vertoont een thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) die vergelijkbaar is met die van halfgeleiders, een goede chemische stabiliteit en een matige thermische geleidbaarheid. De complexe verwerking, de hoge kosten (vooral van het giftige BeO) en de broosheid beperken echter de toepassingen. Kunststofverpakkingen bieden lage kosten, een laag gewicht en isolatie, maar hebben een slechte thermische geleidbaarheid en zijn instabiel bij hoge temperaturen. Zuivere metalen (Cu, Ag, Al) hebben een hoge thermische geleidbaarheid maar een te hoge CTE, terwijl legeringen (Cu-W, Cu-Mo) de thermische prestaties negatief beïnvloeden. Daarom is er dringend behoefte aan nieuwe verpakkingsmaterialen die een balans bieden tussen een hoge thermische geleidbaarheid en een optimale CTE.
| Versterking | Thermische geleidbaarheid (W/(m·K)) | CTE (×10⁻⁶/℃) | Dichtheid (g/cm³) |
| Diamant | 700–2000 | 0,9–1,7 | 3.52 |
| BeO-deeltjes | 300 | 4.1 | 3.01 |
| AlN-deeltjes | 150–250 | 2.69 | 3.26 |
| SiC-deeltjes | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| B₄C-deeltjes | 29–67 | 4.4 | 2.52 |
| Boriumvezel | 40 | ~5.0 | 2.6 |
| TiC-deeltjes | 40 | 7.4 | 4,92 |
| Al₂O₃-deeltjes | 20–40 | 4.4 | 3,98 |
| SiC-whiskers | 32 | 3.4 | – |
| Si₃N₄-deeltjes | 28 | 1.44 | 3.18 |
| TiB₂-deeltjes | 25 | 4.6 | 4.5 |
| SiO₂-deeltjes | 1.4 | <1.0 | 2,65 |
DiamantHet hardste bekende natuurlijke materiaal (Mohs 10) bezit ook uitzonderlijke eigenschappen.thermische geleidbaarheid (200–2200 W/(m·K)).
Diamant micropoeder
Koper, met hoge thermische/elektrische geleidbaarheid (401 W/(m·K))Het materiaal wordt veel gebruikt in geïntegreerde schakelingen vanwege zijn vervormbaarheid en kostenefficiëntie.
Door deze eigenschappen te combineren,diamant/koper (Dia/Cu) composieten—met Cu als matrix en diamant als versterking— komen ze naar voren als de volgende generatie materialen voor thermisch beheer.
02 Belangrijkste fabricagemethoden
De gangbare methoden voor de bereiding van diamant/koper omvatten: poedermetallurgie, hoge-temperatuur- en hogedrukmethode, smeltdompelmethode, plasma-ontladingssintermethode, koudspuitmethode, enz.
Vergelijking van verschillende bereidingsmethoden, processen en eigenschappen van diamant/kopercomposieten met een uniforme deeltjesgrootte.
| Parameter | Poedermetallurgie | Vacuüm heetpersen | Vonkplasmasinteren (SPS) | Hoge druk, hoge temperatuur (HPHT) | Koudspuitafzetting | Smeltfiltratie |
| Diamanttype | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | PDA | MBD8/HHD |
| Matrix | 99,8% Cu-poeder | 99,9% elektrolytisch koperpoeder | 99,9% Cu-poeder | Legering/zuiver koperpoeder | Zuiver koperpoeder | Zuiver koper in bulk/staafvorm |
| Interface-aanpassing | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Deeltjesgrootte (μm) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Volumefractie (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| Temperatuur (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| Druk (MPa) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| Tijd (min) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Relatieve dichtheid (%) | 98,5 | 99.2–99.7 | – | – | – | 99.4–99.7 |
| Prestatie | ||||||
| Optimale thermische geleidbaarheid (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
Veel voorkomende Dia/Cu-composiettechnieken zijn onder meer:
(1)Poedermetallurgie
Gemengde diamant/koperpoeders worden samengeperst en gesinterd. Hoewel deze methode kosteneffectief en eenvoudig is, levert ze een beperkte dichtheid, inhomogene microstructuren en beperkte afmetingen van het monster op.
Sinterning unit
(1)Hoge druk, hoge temperatuur (HPHT)
Met behulp van meervoudige aambeeldpersen dringt gesmolten koper onder extreme omstandigheden door in diamantroosters, waardoor dichte composieten ontstaan. HPHT vereist echter dure mallen en is ongeschikt voor grootschalige productie.
Calomvattende pers
(1)Smeltfiltratie
Gesmolten koper dringt door in diamantpreforms via drukondersteunde of capillaire infiltratie. De resulterende composieten bereiken een thermische geleidbaarheid van >446 W/(m·K).
(2)Vonkplasmasinteren (SPS)
Gepulseerde stroom zorgt voor een snelle sintering van gemengde poeders onder druk. Hoewel efficiënt, neemt de prestatie van SPS af bij diamantfracties van meer dan 65 volumeprocent.
Schematisch diagram van het plasma-ontladingssinteringssysteem
(5) Koudspuitafzetting
Poeders worden versneld en op substraten afgezet. Deze opkomende methode kent uitdagingen op het gebied van oppervlaktebeheersing en validatie van de thermische prestaties.
03 Interface-aanpassing
Voor de bereiding van composietmaterialen is wederzijdse bevochtiging tussen de componenten een noodzakelijke voorwaarde voor het composietproces en een belangrijke factor die de interfacestructuur en de hechtingstoestand van de interface beïnvloedt. De afwezigheid van bevochtiging aan de interface tussen diamant en koper leidt tot een zeer hoge thermische weerstand van de interface. Daarom is het van cruciaal belang om onderzoek te doen naar de modificatie van de interface tussen de twee materialen door middel van verschillende technische methoden. Momenteel zijn er hoofdzakelijk twee methoden om het interfaceprobleem tussen diamant en de kopermatrix te verbeteren: (1) Oppervlaktemodificatie van diamant; (2) Legeringsbehandeling van de kopermatrix.
Schematisch diagram van de modificatie: (a) Directe plating op het oppervlak van diamant; (b) Matrixlegering
(1) Oppervlaktemodificatie van diamant
Door actieve elementen zoals Mo, Ti, W en Cr op de oppervlaktelaag van de versterkende fase aan te brengen, kunnen de grensvlakken van diamant verbeterd worden, waardoor de thermische geleidbaarheid toeneemt. Sinteren zorgt ervoor dat deze elementen reageren met de koolstof op het oppervlak van het diamantpoeder en een carbide-overgangslaag vormen. Dit optimaliseert de bevochtiging tussen de diamant en de metalen basis, en de coating voorkomt dat de structuur van de diamant verandert bij hoge temperaturen.
(2) Legering van de kopermatrix
Voordat de composietmaterialen worden verwerkt, wordt metallisch koper eerst gelegeerd. Dit levert composietmaterialen op met een doorgaans hoge thermische geleidbaarheid. Door actieve elementen in de kopermatrix toe te voegen, wordt niet alleen de bevochtigingshoek tussen diamant en koper effectief verkleind, maar ontstaat er na de reactie ook een carbide-laag die oplosbaar is in de kopermatrix op het grensvlak tussen diamant en koper. Op deze manier worden de meeste openingen op het grensvlak tussen de materialen aangepast en opgevuld, waardoor de thermische geleidbaarheid verbetert.
04 Conclusie
Conventionele verpakkingsmaterialen schieten tekort in het afvoeren van warmte van geavanceerde chips. Dia/Cu-composieten, met een instelbare thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) en een ultrahoge thermische geleidbaarheid, vormen een baanbrekende oplossing voor de volgende generatie elektronica.
Als hightechbedrijf dat industrie en handel integreert, richt XKH zich op onderzoek, ontwikkeling en productie van diamant/kopercomposieten en hoogwaardige metaalmatrixcomposieten zoals SiC/Al en Gr/Cu. Het bedrijf biedt innovatieve oplossingen voor thermisch beheer met een thermische geleidbaarheid van meer dan 900 W/(m·K) voor toepassingen in elektronische verpakkingen, vermogensmodules en de lucht- en ruimtevaart.
XKH'Diamantkoper bekleed laminaat composietmateriaal:
Geplaatst op: 12 mei 2025