Kể từ những năm 1980, mật độ tích hợp của các mạch điện tử đã tăng với tốc độ hàng năm là 1,5 lần hoặc nhanh hơn. Độ tích hợp cao hơn dẫn đến mật độ dòng điện và sinh nhiệt lớn hơn trong quá trình vận hành.Nếu không tản nhiệt hiệu quả, lượng nhiệt này có thể gây ra hiện tượng hỏng hóc do 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 có 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
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 CTE tương đương với chất bán dẫn, độ ổn định hóa học tốt và độ dẫn nhiệt trung bình. Tuy nhiên, quy trình xử lý phức tạp, chi phí cao (đặc biệt là BeO độc hại) và độ giòn của chúng hạn chế các 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 cao, trong khi hợp kim (Cu-W, Cu-Mo) lại làm giảm hiệu suất nhiệt. Do đó, nhu cầu cấp thiết về vật liệu đóng gói mới cân bằng giữa độ dẫn nhiệt cao và CTE tối ưu là rất lớn.
| Tăng cường | Độ dẫn nhiệt (W/(m·K)) | CTE (×10⁻⁶/℃) | Mật độ (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 |
| Râu 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 đặc tính đặc biệtđộ dẫn nhiệt (200–2200 W/(m·K)).
Bột kim cương siêu nhỏ
Đồng, với độ dẫn nhiệt/điện cao (401 W/(m·K)), tính dẻo dai và hiệu quả về chi phí, được sử dụng rộng rãi trong IC.
Kết hợp các đặc tính này,vật liệu tổng hợp kim cương/đồng (Dia/Cu)—với Cu là chất nền và kim cương là 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 cao 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 chế tạo, 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) | Nhiệt độ cao áp suất cao (HPHT) | Lắng đọng phun lạnh | Sự thấm tan 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% | Hợp kim/bột Cu nguyên chất | Bột đồng nguyên chất | Cu nguyên chất dạng khối/thanh |
| Sửa đổi giao diện | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Kích thước hạt (μm) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Phần khối lượng (%) | 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/Cu hỗn hợp 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 hạn chế.
Sđơn vị giao dịch
(1)Nhiệt độ cao áp suất cao (HPHT)
Sử dụng máy ép nhiều đe, đồng nóng chảy thấm vào mạng kim cương trong điều kiện khắc nghiệt, tạo ra vật liệu composite đặc. Tuy nhiên, HPHT đòi hỏi khuôn đúc đắt tiền và không phù hợp cho sản xuất quy mô lớn.
Cbáo chí ubic
(1)Sự thấm tan chảy
Đồng nóng chảy thấm vào phôi kim cương thông qua quá trình thẩm thấu được hỗ trợ bởi áp suất hoặc mao dẫn. Vật liệu composite thu được đạt độ dẫn nhiệt >446 W/(m·K).
(2)Thiêu kết plasma tia lửa điện (SPS)
Dòng điện xung thiêu kết nhanh chóng các loại bột hỗn hợp dưới áp suất. Mặc dù hiệu quả, hiệu suất SPS giảm ở hàm lượng kim cương >65% thể tích.
Sơ đồ hệ thống thiêu kết plasma phóng điện
(5) Lắng đọng phun lạnh
Bột được tăng tốc và lắng đọng trên bề mặt. Phương pháp mới này đang gặp phải những thách thức trong việc kiểm soát độ hoàn thiện bề mặt và xác nhận hiệu suất nhiệt.
03 Sửa đổi giao diện
Trong quá trình chế tạo vật liệu composite, sự tương tác ướt 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. Trạng thái không 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 biến tính giao diện giữa hai vật liệu này bằng 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 nền Cu: (1) Xử lý biến tính bề mặt kim cương; (2) Xử lý hợp kim nền đồng.
Sơ đồ sửa đổi: (a) Mạ trực tiếp trên bề mặt kim cương; (b) Hợp kim ma trận
(1) Sửa đổi bề mặt kim cương
Việc mạ 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. Quá trình thiêu kết có thể cho phép các nguyên tố trên phản ứng với cacbon trên bề mặt bột kim cương để tạo thành lớp chuyển tiếp carbide. Điều này tối ưu hóa trạng thái thấm ướt giữa kim cương và kim loại nền, và lớp phủ có thể ngăn ngừa 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, đồng kim loại được xử lý tiền hợp kim, có thể tạo ra vật liệu composite có độ dẫn nhiệt cao. Việc pha tạp các nguyên tố hoạt tính vào nền đồng không chỉ có thể làm giảm hiệu quả góc ướt giữa kim cương và đồng, mà còn tạo ra một lớp carbide rắn hòa tan trong nền đồng tại giao diện kim cương/Cu sau phản ứng. Bằng cách này, hầu hết các khoảng trống tồn tại trên giao diện vật liệu được sửa đổi và lấp đầy, do đó cải thiện độ dẫn nhiệt.
04 Kết luận
Vật liệu đóng gói thông thường không đủ khả năng kiểm soát nhiệt từ chip tiên tiến. Vật liệu composite Dia/Cu, với CTE có thể điều chỉnh và độ dẫn nhiệt cực cao, là một giải pháp đột phá cho 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 sáng tạo với độ dẫn nhiệt trên 900W/(m·K) cho các lĩnh vực đóng gói điện tử, mô-đun điện và hàng không vũ trụ.
XKH's Vật liệu composite phủ đồng kim cương:
Thời gian đăng: 12-05-2025