از دهه ۱۹۸۰، تراکم مجتمع‌سازی مدارهای الکترونیکی با نرخ سالانه ۱.۵ برابر یا بیشتر در حال افزایش بوده است. مجتمع‌سازی بیشتر منجر به تراکم جریان بیشتر و تولید گرما در حین کار می‌شود.اگر این گرما به طور موثر دفع نشود، می‌تواند باعث خرابی حرارتی و کاهش طول عمر قطعات الکترونیکی شود.
برای برآورده کردن نیازهای روزافزون مدیریت حرارتی، مواد بسته‌بندی الکترونیکی پیشرفته با رسانایی حرارتی برتر به طور گسترده مورد تحقیق و بهینه‌سازی قرار گرفته‌اند.
مواد کامپوزیت الماس/مس
01 الماس و مس
مواد بسته‌بندی سنتی شامل سرامیک، پلاستیک، فلزات و آلیاژهای آنها می‌شوند. سرامیک‌هایی مانند BeO و AlN از نظر CTE با نیمه‌رساناها مطابقت دارند، پایداری شیمیایی خوبی دارند و رسانایی حرارتی متوسطی از خود نشان می‌دهند. با این حال، پردازش پیچیده، هزینه بالا (به‌ویژه BeO سمی) و شکنندگی آنها، کاربردها را محدود می‌کند. بسته‌بندی پلاستیکی هزینه کم، وزن سبک و عایق بودن را ارائه می‌دهد اما از رسانایی حرارتی ضعیف و بی‌ثباتی در دمای بالا رنج می‌برد. فلزات خالص (Cu، Ag، Al) رسانایی حرارتی بالایی دارند اما CTE بیش از حد دارند، در حالی که آلیاژها (Cu-W، Cu-Mo) عملکرد حرارتی را به خطر می‌اندازند. بنابراین، مواد بسته‌بندی جدیدی که رسانایی حرارتی بالا و CTE بهینه را متعادل می‌کنند، به شدت مورد نیاز هستند.
| تقویت | رسانایی حرارتی (W/(m·K)) | CTE (×10⁻⁶/℃) | چگالی (گرم بر سانتی‌متر مکعب) |
| الماس | ۷۰۰–۲۰۰۰ | ۰.۹–۱.۷ | ۳.۵۲ |
| ذرات BeO | ۳۰۰ | ۴.۱ | ۳.۰۱ |
| ذرات AlN | ۱۵۰–۲۵۰ | ۲.۶۹ | ۳.۲۶ |
| ذرات SiC | ۸۰–۲۰۰ | ۴.۰ | ۳.۲۱ |
| ذرات B₄C | ۲۹–۶۷ | ۴.۴ | ۲.۵۲ |
| فیبر بور | 40 | ~۵.۰ | ۲.۶ |
| ذرات TiC | 40 | ۷.۴ | ۴.۹۲ |
| ذرات Al₂O₃ | ۲۰–۴۰ | ۴.۴ | ۳.۹۸ |
| ویسکرهای SiC | 32 | ۳.۴ | – |
| ذرات Si₃N₄ | 28 | ۱.۴۴ | ۳.۱۸ |
| ذرات TiB₂ | 25 | ۴.۶ | ۴.۵ |
| ذرات SiO₂ | ۱.۴ | <1.0 | ۲.۶۵ |
الماسسخت‌ترین ماده طبیعی شناخته شده (سختی موهس ۱۰)، همچنین دارای خواص استثنایی است.رسانایی حرارتی (۲۰۰–۲۲۰۰ وات بر (متر بر کلوین)).
میکرو پودر الماس
مس, با رسانایی حرارتی/الکتریکی بالا (401 W/(m·K))، شکل‌پذیری و مقرون‌به‌صرفه بودن، به‌طور گسترده در ICها استفاده می‌شود.
با ترکیب این ویژگی‌ها،کامپوزیت های الماس/مس (Dia/Cu).- با مس به عنوان ماتریس و الماس به عنوان تقویت کننده - به عنوان مواد مدیریت حرارتی نسل بعدی در حال ظهور هستند.
02 روش ساخت کلیدی
روش‌های متداول برای تهیه الماس/مس عبارتند از: متالورژی پودر، روش دما و فشار بالا، روش غوطه‌وری مذاب، روش تف‌جوشی پلاسمای تخلیه‌ای، روش پاشش سرد و غیره.
مقایسه روش‌های مختلف آماده‌سازی، فرآیندها و خواص کامپوزیت‌های الماس/مس با اندازه تک‌ذره
| پارامتر | متالورژی پودر | پرس داغ در خلاء | تف‌جوشی پلاسمای جرقه‌ای (SPS) | فشار بالا-دمای بالا (HPHT) | رسوب اسپری سرد | نفوذ مذاب |
| نوع الماس | MBD8 | HFD-D | MBD8 | ام‌بی‌دی۴ | پی دی ای | MBD8/HHD |
| ماتریس | پودر مس ۹۹.۸٪ | پودر مس الکترولیتی ۹۹.۹٪ | پودر مس ۹۹.۹٪ | پودر مس آلیاژی/خالص | پودر مس خالص | مس خالص به صورت فله/میله |
| اصلاح رابط | – | – | – | بور، تیتانیم، سیلیسیم، کروم، زیرکونیوم، تنگستن، مولیبدن | – | – |
| اندازه ذرات (میکرومتر) | ۱۰۰ | ۱۰۶–۱۲۵ | ۱۰۰–۴۰۰ | ۲۰–۲۰۰ | ۳۵–۲۰۰ | ۵۰–۴۰۰ |
| کسر حجمی (%) | ۲۰–۶۰ | ۴۰–۶۰ | ۳۵–۶۰ | ۶۰–۹۰ | ۲۰–۴۰ | ۶۰–۶۵ |
| دما (°C) | ۹۰۰ | ۸۰۰–۱۰۵۰ | ۸۸۰–۹۵۰ | ۱۱۰۰–۱۳۰۰ | ۳۵۰ | ۱۱۰۰–۱۳۰۰ |
| فشار (مگاپاسکال) | ۱۱۰ | 70 | ۴۰–۵۰ | ۸۰۰۰ | 3 | ۱–۴ |
| زمان (دقیقه) | 60 | ۶۰–۱۸۰ | 20 | ۶–۱۰ | – | ۵–۳۰ |
| چگالی نسبی (%) | ۹۸.۵ | ۹۹.۲–۹۹.۷ | – | – | – | ۹۹.۴–۹۹.۷ |
| عملکرد | ||||||
| رسانایی حرارتی بهینه (W/(m·K)) | ۳۰۵ | ۵۳۶ | ۶۸۷ | ۹۰۷ | – | ۹۴۳ |
تکنیک های رایج کامپوزیت Dia/Cu عبارتند از:
(1)متالورژی پودر
پودرهای مخلوط الماس/مس فشرده و تف‌جوشی می‌شوند. این روش اگرچه مقرون‌به‌صرفه و ساده است، اما چگالی محدود، ریزساختارهای ناهمگن و ابعاد نمونه محدودی را به همراه دارد.
Sواحد اینترینگ
(1)فشار بالا-دمای بالا (HPHT)
با استفاده از پرس‌های چند سندانی، مس مذاب تحت شرایط سخت به شبکه‌های الماس نفوذ می‌کند و کامپوزیت‌های متراکم تولید می‌کند. با این حال، HPHT به قالب‌های گران‌قیمت نیاز دارد و برای تولید در مقیاس بزرگ نامناسب است.
Cپرس یوبیک
(1)نفوذ مذاب
مس مذاب از طریق نفوذ با کمک فشار یا نفوذ با نیروی مویینگی به قطعات الماس نفوذ می‌کند. کامپوزیت‌های حاصل به رسانایی حرارتی بیش از ۴۴۶ وات بر (m·K) دست می‌یابند.
(2)تف‌جوشی پلاسمای جرقه‌ای (SPS)
جریان پالسی به سرعت پودرهای مخلوط را تحت فشار تف جوشی می‌کند. اگرچه SPS کارآمد است، اما عملکرد آن در کسرهای الماس > 65 درصد حجمی کاهش می‌یابد.
نمودار شماتیک سیستم تف‌جوشی پلاسمای تخلیه
(5) رسوب اسپری سرد
پودرها شتاب داده شده و روی زیرلایه‌ها رسوب داده می‌شوند. این روش نوپا با چالش‌هایی در کنترل سطح نهایی و اعتبارسنجی عملکرد حرارتی مواجه است.
03 اصلاح رابط
برای تهیه مواد کامپوزیتی، ترشوندگی متقابل بین اجزا، پیش‌نیاز ضروری برای فرآیند کامپوزیت و عامل مهمی است که بر ساختار فصل مشترک و وضعیت پیوند فصل مشترک تأثیر می‌گذارد. شرایط غیرترشوندگی در فصل مشترک بین الماس و مس منجر به مقاومت حرارتی بسیار بالای فصل مشترک می‌شود. بنابراین، انجام تحقیقات اصلاحی روی فصل مشترک بین این دو از طریق روش‌های فنی مختلف بسیار مهم است. در حال حاضر، عمدتاً دو روش برای بهبود مشکل فصل مشترک بین الماس و ماتریس مس وجود دارد: (1) عملیات اصلاح سطحی الماس؛ (2) عملیات آلیاژسازی ماتریس مس.
نمودار شماتیک اصلاح: (الف) آبکاری مستقیم روی سطح الماس؛ (ب) آلیاژسازی زمینه‌ای
(1) اصلاح سطح الماس
آبکاری عناصر فعال مانند Mo، Ti، W و Cr روی لایه سطحی فاز تقویت‌کننده می‌تواند ویژگی‌های سطح مشترک الماس را بهبود بخشد و در نتیجه رسانایی حرارتی آن را افزایش دهد. تف‌جوشی می‌تواند عناصر فوق را قادر سازد تا با کربن روی سطح پودر الماس واکنش داده و یک لایه انتقالی کاربیدی تشکیل دهند. این امر حالت ترشوندگی بین الماس و پایه فلزی را بهینه می‌کند و پوشش می‌تواند از تغییر ساختار الماس در دماهای بالا جلوگیری کند.
(2) آلیاژسازی ماتریس مس
قبل از پردازش کامپوزیت مواد، عملیات پیش آلیاژسازی روی مس فلزی انجام می‌شود که می‌تواند مواد کامپوزیتی با رسانایی حرارتی عموماً بالا تولید کند. آلایش عناصر فعال در ماتریس مس نه تنها می‌تواند به طور مؤثر زاویه خیس‌شوندگی بین الماس و مس را کاهش دهد، بلکه یک لایه کاربید ایجاد می‌کند که پس از واکنش، در ماتریس مس در فصل مشترک الماس/مس به طور جامد محلول است. به این ترتیب، بیشتر شکاف‌های موجود در فصل مشترک مواد اصلاح و پر می‌شوند و در نتیجه رسانایی حرارتی بهبود می‌یابد.
04 نتیجه گیری
مواد بسته‌بندی مرسوم در مدیریت گرمای ناشی از تراشه‌های پیشرفته، عملکرد ضعیفی دارند. کامپوزیت‌های Dia/Cu، با CTE قابل تنظیم و رسانایی حرارتی فوق‌العاده بالا، یک راه‌حل متحول‌کننده برای الکترونیک نسل بعدی ارائه می‌دهند.
XKH به عنوان یک شرکت فناوری پیشرفته که صنعت و تجارت را با هم ادغام می‌کند، بر تحقیق و توسعه و تولید کامپوزیت‌های الماس/مس و کامپوزیت‌های زمینه فلزی با کارایی بالا مانند SiC/Al و Gr/Cu تمرکز دارد و راه‌حل‌های نوآورانه مدیریت حرارتی با رسانایی حرارتی بیش از 900 وات بر (m·K) را برای زمینه‌های بسته‌بندی الکترونیکی، ماژول‌های برق و هوافضا ارائه می‌دهد.
XKH'مواد کامپوزیت لمینت با روکش مس الماس:
زمان ارسال: ۱۲ مه ۲۰۲۵