Từ những năm 1980, mật độ tích hợp của các mạch điện tử đã tăng với tốc độ gấp 1,5 lần hoặc nhanh hơn mỗi năm. Mức độ tích hợp cao hơn dẫn đến mật độ dòng điện lớn hơn và sinh nhiệt nhiều hơn trong quá trình hoạt động.Nếu không được tản nhiệt hiệu quả, lượng nhiệt này có thể gây ra hỏng hóc do quá nhiệt và làm giảm tuổi thọ của các linh kiện điện tử.
Để đáp ứng nhu cầu quản lý nhiệt ngày càng tăng, các vật liệu đóng gói điện tử tiên tiến với khả năng dẫn nhiệt vượt trội đang được nghiên cứu và tối ưu hóa rộng rãi.
Vật liệu tổng hợp kim cương/đồng
01 Kim cương và Đồng
Các vật liệu đóng gói truyền thống bao gồm gốm sứ, nhựa, kim loại và hợp kim của chúng. Gốm sứ như BeO và AlN có hệ số giãn nở nhiệt (CTE) tương đương với chất bán dẫn, độ ổn định hóa học tốt và độ dẫn nhiệt vừa phải. Tuy nhiên, quy trình chế tạo phức tạp, chi phí cao (đặc biệt là BeO độc hại) và độ giòn của chúng hạn chế ứng dụng. Bao bì nhựa có chi phí thấp, trọng lượng nhẹ và khả năng cách nhiệt tốt nhưng lại có độ dẫn nhiệt kém và không ổn định ở nhiệt độ cao. Kim loại nguyên chất (Cu, Ag, Al) có độ dẫn nhiệt cao nhưng CTE quá lớn, trong khi hợp kim (Cu-W, Cu-Mo) lại làm giảm hiệu suất nhiệt. Do đó, cần thiết phải có các vật liệu đóng gói mới cân bằng giữa độ dẫn nhiệt cao và CTE tối ưu.
| Gia cố | Độ dẫn nhiệt (W/(m·K)) | CTE (×10⁻⁶/℃) | Khối lượng riêng (g/cm³) |
| Kim cương | 700–2000 | 0,9–1,7 | 3,52 |
| Các hạt BeO | 300 | 4.1 | 3.01 |
| Các hạt AlN | 150–250 | 2,69 | 3,26 |
| Các hạt SiC | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| Các hạt B₄C | 29–67 | 4.4 | 2,52 |
| Sợi boron | 40 | ~5.0 | 2.6 |
| Các hạt TiC | 40 | 7.4 | 4,92 |
| Các hạt Al₂O₃ | 20–40 | 4.4 | 3,98 |
| sợi SiC | 32 | 3.4 | – |
| Các hạt Si₃N₄ | 28 | 1,44 | 3.18 |
| Các hạt TiB₂ | 25 | 4.6 | 4,5 |
| Các hạt SiO₂ | 1.4 | <1.0 | 2,65 |
Kim cương, vật liệu tự nhiên cứng nhất được biết đến (Mohs 10), cũng sở hữu những đặc tính đặc biệt.độ dẫn nhiệt (200–2200 W/(m·K)).
Bột kim cương siêu mịn
Đồng, với độ dẫn nhiệt/điện cao (401 W/(m·K))Tính dẻo dai và hiệu quả về chi phí của chúng được sử dụng rộng rãi trong các mạch tích hợp.
Kết hợp các đặc tính này,vật liệu tổng hợp kim cương/đồng (Dia/Cu)—với đồng làm chất nền và kim cương làm chất gia cường—đang nổi lên như những vật liệu quản lý nhiệt thế hệ tiếp theo.
02 Phương pháp chế tạo chính
Các phương pháp phổ biến để chế tạo kim cương/đồng bao gồm: luyện kim bột, phương pháp nhiệt độ và áp suất cao, phương pháp nhúng nóng chảy, phương pháp thiêu kết plasma phóng điện, phương pháp phun lạnh, v.v.
So sánh các phương pháp, quy trình và tính chất khác nhau của vật liệu composite kim cương/đồng có kích thước hạt đơn.
| Tham số | Luyện kim bột | Ép nóng chân không | Thiêu kết plasma tia lửa điện (SPS) | Áp suất cao, nhiệt độ cao (HPHT) | Phương pháp lắng đọng phun lạnh | Thấm nóng chảy |
| Loại kim cương | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | PDA | MBD8/HHD |
| Ma trận | Bột đồng 99,8% | Bột đồng điện phân 99,9% | Bột đồng 99,9% | Bột hợp kim/đồng nguyên chất | Bột đồng nguyên chất | Đồng nguyên chất dạng khối/thanh |
| Điều chỉnh giao diện | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Kích thước hạt (μm) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Tỷ lệ thể tích (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| Nhiệt độ (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| Áp suất (MPa) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| Thời gian (phút) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Mật độ tương đối (%) | 98,5 | 99,2–99,7 | – | – | – | 99,4–99,7 |
| Hiệu suất | ||||||
| Độ dẫn nhiệt tối ưu (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
Các kỹ thuật tổng hợp Dia/Cu phổ biến bao gồm:
(1)Luyện kim bột
Bột kim cương/đồng trộn được nén chặt và thiêu kết. Mặc dù tiết kiệm chi phí và đơn giản, phương pháp này tạo ra mật độ hạn chế, cấu trúc vi mô không đồng nhất và kích thước mẫu bị giới hạn.
Sđơn vị xen kẽ
(1)Áp suất cao, nhiệt độ cao (HPHT)
Sử dụng máy ép đa trục, đồng nóng chảy thấm vào mạng tinh thể kim cương trong điều kiện khắc nghiệt, tạo ra các vật liệu composite đặc chắc. Tuy nhiên, phương pháp HPHT đòi hỏi khuôn mẫu đắt tiền và không phù hợp cho sản xuất quy mô lớn.
Cnhà xuất bản ubic
(1)Thấm nóng chảy
Đồng nóng chảy thấm vào phôi kim cương thông qua quá trình thẩm thấu có hỗ trợ áp suất hoặc mao dẫn. Các vật liệu composite thu được đạt được độ dẫn nhiệt >446 W/(m·K).
(2)Thiêu kết plasma tia lửa điện (SPS)
Dòng điện xung nhanh chóng thiêu kết hỗn hợp bột dưới áp suất. Mặc dù hiệu quả, hiệu suất của SPS giảm khi tỷ lệ kim cương >65% thể tích.
Sơ đồ cấu tạo của hệ thống thiêu kết plasma phóng điện.
(5) Lắng đọng phun lạnh
Bột được gia tốc và lắng đọng lên chất nền. Phương pháp mới này đang đối mặt với những thách thức trong việc kiểm soát độ hoàn thiện bề mặt và xác thực hiệu suất nhiệt.
03 Sửa đổi giao diện
Đối với việc chế tạo vật liệu composite, sự thấm ướt lẫn nhau giữa các thành phần là điều kiện tiên quyết cần thiết cho quá trình composite và là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến cấu trúc giao diện và trạng thái liên kết giao diện. Điều kiện không thấm ướt tại giao diện giữa kim cương và Cu dẫn đến điện trở nhiệt giao diện rất cao. Do đó, việc tiến hành nghiên cứu cải tiến giao diện giữa hai thành phần thông qua các phương pháp kỹ thuật khác nhau là rất quan trọng. Hiện nay, chủ yếu có hai phương pháp để cải thiện vấn đề giao diện giữa kim cương và ma trận Cu: (1) Xử lý biến đổi bề mặt kim cương; (2) Xử lý hợp kim hóa ma trận đồng.
Sơ đồ sửa đổi: (a) Mạ trực tiếp trên bề mặt kim cương; (b) Hợp kim nền
(1) Biến đổi bề mặt của kim cương
Việc phủ các nguyên tố hoạt tính như Mo, Ti, W và Cr lên lớp bề mặt của pha gia cường có thể cải thiện đặc tính giao diện của kim cương, từ đó tăng cường độ dẫn nhiệt của nó. Quá trình thiêu kết cho phép các nguyên tố trên phản ứng với cacbon trên bề mặt bột kim cương để tạo thành lớp chuyển tiếp cacbua. Điều này tối ưu hóa trạng thái thấm ướt giữa kim cương và nền kim loại, và lớp phủ có thể ngăn chặn sự thay đổi cấu trúc của kim cương ở nhiệt độ cao.
(2) Hợp kim của ma trận đồng
Trước khi gia công vật liệu composite, quá trình tiền hợp kim hóa được thực hiện trên đồng kim loại, có thể tạo ra vật liệu composite có độ dẫn nhiệt cao. Việc pha trộn các nguyên tố hoạt tính vào ma trận đồng không chỉ giúp giảm hiệu quả góc thấm ướt giữa kim cương và đồng, mà còn tạo ra một lớp cacbua hòa tan trong ma trận đồng tại giao diện kim cương/đồng sau phản ứng. Bằng cách này, hầu hết các khe hở tồn tại tại giao diện vật liệu được sửa đổi và lấp đầy, từ đó cải thiện độ dẫn nhiệt.
04 Kết luận
Các vật liệu đóng gói thông thường không đáp ứng được yêu cầu trong việc quản lý nhiệt từ các chip tiên tiến. Vật liệu composite Dia/Cu, với hệ số giãn nở nhiệt (CTE) có thể điều chỉnh và độ dẫn nhiệt cực cao, представляют собой giải pháp đột phá cho các thiết bị điện tử thế hệ tiếp theo.
Là một doanh nghiệp công nghệ cao tích hợp công nghiệp và thương mại, XKH tập trung vào nghiên cứu, phát triển và sản xuất vật liệu composite kim cương/đồng và vật liệu composite nền kim loại hiệu suất cao như SiC/Al và Gr/Cu, cung cấp các giải pháp quản lý nhiệt tiên tiến với độ dẫn nhiệt trên 900W/(m·K) cho các lĩnh vực đóng gói điện tử, mô-đun nguồn và hàng không vũ trụ.
XKH'Vật liệu composite nhiều lớp mạ đồng Diamond:
Thời gian đăng bài: 12 tháng 5 năm 2025