Sinds de jaren 80 neemt de integratiedichtheid van elektronische schakelingen jaarlijks met 1,5× of sneller toe. Hogere integratie leidt tot hogere stroomdichtheden en warmteontwikkeling tijdens bedrijf.Als de warmte niet efficiënt wordt afgevoerd, kan dit thermische storingen veroorzaken en de levensduur van elektronische componenten verkorten.
Om te voldoen aan de toenemende eisen op het gebied van thermisch beheer, worden geavanceerde elektronische verpakkingsmaterialen met superieure thermische geleidbaarheid uitgebreid onderzocht en geoptimaliseerd.
Diamant/koper composietmateriaal
01 Diamant en koper
Traditionele verpakkingsmaterialen omvatten keramiek, kunststoffen, metalen en hun legeringen. Keramiek zoals BeO2 en AlN vertoont een CTE die vergelijkbaar is met die van halfgeleiders, een goede chemische stabiliteit en een matige thermische geleidbaarheid. De complexe verwerking, hoge kosten (vooral giftig BeO2) en broosheid beperken echter de toepassingen. Kunststofverpakkingen bieden lage kosten, een laag gewicht en isoleren goed, maar hebben last van een slechte thermische geleidbaarheid en instabiliteit bij hoge temperaturen. Zuivere metalen (Cu, Ag, Al) hebben een hoge thermische geleidbaarheid, maar een hoge CTE, terwijl legeringen (Cu-W, Cu-Mo) de thermische prestaties negatief beïnvloeden. Daarom is er dringend behoefte aan nieuwe verpakkingsmaterialen die een hoge thermische geleidbaarheid en een optimale CTE in evenwicht brengen.
| 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 |
| Boorvezel | 40 | ~5.0 | 2.6 |
| TiC-deeltjes | 40 | 7.4 | 4.92 |
| Al₂O₃-deeltjes | 20–40 | 4.4 | 3,98 |
| SiC-snorharen | 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 |
Diamant, het hardste bekende natuurlijke materiaal (Mohs 10), bezit ook uitzonderlijkethermische geleidbaarheid (200–2200 W/(m·K)).
Diamant micropoeder
Koper, met hoge thermische/elektrische geleidbaarheid (401 W/(m·K)), ductiliteit en kostenefficiëntie, wordt veel gebruikt in IC's.
Door deze eigenschappen te combineren,diamant/koper (Dia/Cu) composieten—met Cu als matrix en diamant als versterking—ontwikkelen zich tot de volgende generatie thermische managementmaterialen.
02 Belangrijkste fabricagemethoden
De meest voorkomende methoden voor het bereiden van diamant/koper zijn: poedermetallurgie, hogetemperatuur- en hogedrukmethode, smeltdompelmethode, ontladingsplasma-sintermethode, koudspuitmethode, etc.
Vergelijking van verschillende bereidingsmethoden, processen en eigenschappen van diamant-/kopercomposieten met één deeltjesgrootte
| Parameter | Poedermetallurgie | Vacuüm warmpersen | Vonkplasmasintering (SPS) | Hoge druk hoge temperatuur (HPHT) | Koude sproeidepositie | Smelt Infiltratie |
| Diamanttype | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | PDA | MBD8/HHD |
| Matrix | 99,8% Cu-poeder | 99,9% elektrolytisch Cu-poeder | 99,9% Cu-poeder | Legering/zuiver Cu-poeder | Zuiver Cu-poeder | Zuiver Cu bulk/staaf |
| 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/Cu-poeders worden samengeperst en gesinterd. Hoewel deze methode kosteneffectief en eenvoudig is, levert ze een beperkte dichtheid, inhomogene microstructuren en beperkte monsterafmetingen op.
Sintermediaire eenheid
(1)Hoge druk hoge temperatuur (HPHT)
Met behulp van persen met meerdere aambeelden infiltreert gesmolten koper onder extreme omstandigheden diamantroosters, wat resulteert in dichte composieten. HPHT vereist echter dure mallen en is niet geschikt voor grootschalige productie.
Cubic pers
(1)Smelt Infiltratie
Gesmolten koper dringt door in diamantpreforms via drukondersteunde of capillaire infiltratie. De resulterende composieten bereiken een thermische geleidbaarheid van >446 W/(m·K).
(2)Vonkplasmasintering (SPS)
Pulserende stroom sintelt gemengde poeders snel onder druk. Hoewel efficiënt, neemt de SPS-prestatie af bij diamantfracties > 65 vol.%.
Schematisch diagram van het ontladingsplasma-sintersysteem
(5) Koude sproeidepositie
Poeders worden versneld en op substraten afgezet. Deze opkomende methode kent uitdagingen op het gebied van oppervlakteafwerking en thermische prestatievalidatie.
03 Interface-aanpassing
Voor de bereiding van composietmaterialen is de wederzijdse bevochtiging tussen componenten een noodzakelijke voorwaarde voor het composietproces en een belangrijke factor die de interfacestructuur en de interfacehechtingstoestand beïnvloedt. De niet-bevochtigende toestand op de interface tussen diamant en koper leidt tot een zeer hoge thermische weerstand. Daarom is het cruciaal om modificatieonderzoek uit te voeren naar de interface tussen beide met behulp van verschillende technische methoden. Momenteel zijn er voornamelijk twee methoden om het interfaceprobleem tussen diamant en kopermatrix op te lossen: (1) oppervlaktemodificatie van diamant; (2) legeringsbehandeling van de kopermatrix.
Wijzigingsschema: (a) Directe plating op het oppervlak van diamant; (b) Matrixlegering
(1) Oppervlaktemodificatie van diamant
Het aanbrengen van actieve elementen zoals Mo, Ti, W en Cr op de oppervlaktelaag van de versterkingsfase kan de grensvlakeigenschappen van diamant verbeteren, waardoor de thermische geleidbaarheid toeneemt. Door sinteren kunnen de bovengenoemde elementen reageren met de koolstof op het oppervlak van het diamantpoeder en een carbide-overgangslaag vormen. Dit optimaliseert de bevochtigingstoestand tussen de diamant en de metaalbasis, en de coating voorkomt dat de structuur van de diamant verandert bij hoge temperaturen.
(2) Legering van de kopermatrix
Vóór de composietverwerking van materialen wordt een voorlegeringsbehandeling uitgevoerd op metallisch koper, wat composietmaterialen met een over het algemeen hoge thermische geleidbaarheid kan opleveren. Het doteren van actieve elementen in de kopermatrix kan niet alleen de bevochtigingshoek tussen diamant en koper effectief verminderen, maar ook een carbidelaag genereren die na de reactie vast oplosbaar is in de kopermatrix aan het diamant/Cu-grensvlak. Op deze manier worden de meeste openingen in het materiaalgrensvlak aangepast en opgevuld, waardoor de thermische geleidbaarheid verbetert.
04 Conclusie
Conventionele verpakkingsmaterialen schieten tekort in het beheersen van de warmte van geavanceerde chips. Dia/Cu-composieten, met instelbare CTE en ultrahoge thermische geleidbaarheid, vormen een transformatieve oplossing voor de volgende generatie elektronica.
Als hightechonderneming die industrie en handel integreert, richt XKH zich op onderzoek, ontwikkeling en productie van diamant/kopercomposieten en hoogwaardige metaalmatrixcomposieten zoals SiC/Al en Gr/Cu. Daarmee leveren we innovatieve oplossingen voor thermisch beheer met een thermische geleidbaarheid van meer dan 900 W/(m·K) voor de sectoren elektronische verpakkingen, vermogensmodules en lucht- en ruimtevaart.
XKH's Diamant koper bekleed laminaat composietmateriaal:
Geplaatst op: 12 mei 2025