1980'lerden beri elektronik devrelerin entegrasyon yoğunluğu yıllık 1,5 kat veya daha hızlı bir oranda artmaktadır. Daha yüksek entegrasyon, çalışma sırasında daha yüksek akım yoğunluklarına ve ısı oluşumuna yol açar.Bu ısının etkin bir şekilde dağıtılmaması durumunda termal arızalar meydana gelebilir ve elektronik bileşenlerin kullanım ömrü kısalabilir.
Artan termal yönetim taleplerini karşılamak için üstün termal iletkenliğe sahip gelişmiş elektronik paketleme malzemeleri kapsamlı bir şekilde araştırılıyor ve optimize ediliyor.
Elmas/bakır kompozit malzeme
01 Elmas ve Bakır
Geleneksel paketleme malzemeleri arasında seramikler, plastikler, metaller ve bunların alaşımları bulunur. BeO ve AlN gibi seramikler, yarı iletkenlerle eşleşen CTE'ler, iyi kimyasal kararlılık ve orta düzeyde termal iletkenlik sergiler. Ancak, karmaşık işleme, yüksek maliyet (özellikle toksik BeO) ve kırılganlık uygulamaları sınırlar. Plastik paketleme düşük maliyet, hafiflik ve yalıtım sunar ancak zayıf termal iletkenlik ve yüksek sıcaklık kararsızlığı sorunları yaşar. Saf metaller (Cu, Ag, Al) yüksek termal iletkenliğe ancak aşırı CTE'ye sahiptir, alaşımlar (Cu-W, Cu-Mo) ise termal performansı tehlikeye atar. Bu nedenle, yüksek termal iletkenlik ve optimum CTE'yi dengeleyen yeni paketleme malzemelerine acilen ihtiyaç duyulmaktadır.
| Takviye | Isıl İletkenlik (W/(m·K)) | Sıcaklık Farkı (×10⁻⁶/℃) | Yoğunluk (g/cm³) |
| Elmas | 700–2000 | 0,9–1,7 | 3.52 |
| BeO parçacıkları | 300 | 4.1 | 3.01 |
| AlN parçacıkları | 150–250 | 2.69 | 3.26 |
| SiC parçacıkları | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| B₄C parçacıkları | 29–67 | 4.4 | 2.52 |
| Bor lifi | 40 | ~5.0 | 2.6 |
| TiC parçacıkları | 40 | 7.4 | 4.92 |
| Al₂O₃ parçacıkları | 20–40 | 4.4 | 3.98 |
| SiC bıyıkları | 32 | 3.4 | – |
| Si₃N₄ parçacıkları | 28 | 1.44 | 3.18 |
| TiB₂ parçacıkları | 25 | 4.6 | 4.5 |
| SiO₂ parçacıkları | 1.4 | <1.0 | 2.65 |
Elmas, bilinen en sert doğal malzeme (Mohs 10) aynı zamanda olağanüstü özelliklere sahiptirısı iletkenliği (200–2200 W/(m·K)).
Elmas mikro tozu
Bakır, ile yüksek termal/elektriksel iletkenlik (401 W/(m·K)), süneklik ve maliyet etkinliği nedeniyle IC'lerde yaygın olarak kullanılmaktadır.
Bu özellikleri birleştirerek,elmas/bakır (Dia/Cu) kompozitleri—matris olarak Cu ve takviye olarak elmas kullanılan— yeni nesil termal yönetim malzemeleri olarak ortaya çıkıyor.
02 Temel Üretim Yöntemleri
Elmas/bakır hazırlamada yaygın olarak kullanılan yöntemler şunlardır: toz metalurjisi, yüksek sıcaklık ve yüksek basınç yöntemi, eriyik daldırma yöntemi, deşarj plazma sinterleme yöntemi, soğuk püskürtme yöntemi, vb.
Tek parçacık boyutlu elmas/bakır kompozitlerinin farklı hazırlama yöntemleri, süreçleri ve özelliklerinin karşılaştırılması
| Parametre | Toz Metalurjisi | Vakum Sıcak Presleme | Kıvılcım Plazma Sinterleme (SPS) | Yüksek Basınçlı Yüksek Sıcaklık (HPHT) | Soğuk Sprey Birikimi | Eriyik Sızma |
| Elmas Türü | MBD8 | Yüksek Hızlı Tren | MBD8 | MBD4 | Kişisel bilgisayar | MBD8/HHD |
| Matris | %99,8 Cu tozu | %99,9 elektrolitik Cu tozu | %99,9 Cu tozu | Alaşım/saf Cu tozu | Saf Cu tozu | Saf Cu toplu/çubuk |
| Arayüz Değişikliği | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Parçacık Boyutu (μm) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Hacim Oranı (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| Sıcaklık (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| Basınç (MPa) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| Zaman (dk) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Bağıl Yoğunluk (%) | 98.5 | 99,2–99,7 | – | – | – | 99,4–99,7 |
| Performans | ||||||
| Optimum Isıl İletkenlik (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
Yaygın Dia/Cu kompozit teknikleri şunları içerir:
(1)Toz Metalurjisi
Karışık elmas/Cu tozları sıkıştırılır ve sinterlenir. Maliyet açısından etkili ve basit olmasına rağmen, bu yöntem sınırlı yoğunluk, homojen olmayan mikro yapılar ve kısıtlı numune boyutları sağlar.
Saraya girme birimi
(1)Yüksek Basınçlı Yüksek Sıcaklık (HPHT)
Çoklu örs presleri kullanılarak, erimiş Cu aşırı koşullar altında elmas kafeslere sızarak yoğun kompozitler üretir. Ancak HPHT pahalı kalıplar gerektirir ve büyük ölçekli üretim için uygun değildir.
Cubik basın
(1)Eriyik Sızma
Erimiş Cu, basınç destekli veya kılcal tahrikli infiltrasyon yoluyla elmas preformlarına nüfuz eder. Elde edilen kompozitler >446 W/(m·K) termal iletkenliğe ulaşır.
(2)Kıvılcım Plazma Sinterleme (SPS)
Darbeli akım, basınç altında karışık tozları hızla sinterler. Verimli olmasına rağmen, SPS performansı elmas fraksiyonları >65 hacim% oranında düşer.
Deşarj plazma sinterleme sisteminin şematik diyagramı
(5) Soğuk Sprey Birikimi
Tozlar hızlandırılır ve alt tabakalara biriktirilir. Bu yeni yöntem, yüzey sonlandırma kontrolü ve termal performans doğrulamasında zorluklarla karşı karşıyadır.
03 Arayüz Değişikliği
Kompozit malzemelerin hazırlanması için, bileşenler arasındaki karşılıklı ıslatma, kompozit prosesi için gerekli bir ön koşuldur ve arayüz yapısını ve arayüz bağlanma durumunu etkileyen önemli bir faktördür. Elmas ve Cu arasındaki arayüzdeki ıslatmama durumu, çok yüksek bir arayüz termal direncine yol açar. Bu nedenle, ikisi arasındaki arayüz üzerinde çeşitli teknik araçlarla modifikasyon araştırması yürütmek çok önemlidir. Şu anda, elmas ve Cu matrisi arasındaki arayüz sorununu iyileştirmek için esas olarak iki yöntem vardır: (1) Elmasın yüzey modifikasyon işlemi; (2) Bakır matrisinin alaşım işlemi.
Modifikasyon şematik diyagramı: (a) Elmasın yüzeyine doğrudan kaplama; (b) Matris alaşımı
(1) Elmasın yüzey modifikasyonu
Mo, Ti, W ve Cr gibi aktif elementlerin takviye fazının yüzey tabakasına kaplanması, elmasın arayüz özelliklerini iyileştirebilir ve böylece termal iletkenliğini artırabilir. Sinterleme, yukarıdaki elementlerin elmas tozunun yüzeyindeki karbonla reaksiyona girerek bir karbür geçiş tabakası oluşturmasını sağlayabilir. Bu, elmas ile metal taban arasındaki ıslatma durumunu optimize eder ve kaplama, elmasın yapısının yüksek sıcaklıklarda değişmesini önleyebilir.
(2) Bakır matrisinin alaşımlanması
Malzemelerin kompozit işlenmesinden önce, metalik bakır üzerinde ön alaşımlama işlemi gerçekleştirilir ve bu da genellikle yüksek termal iletkenliğe sahip kompozit malzemeler üretebilir. Bakır matrisindeki aktif elementlerin dopinglenmesi, yalnızca elmas ve bakır arasındaki ıslatma açısını etkili bir şekilde azaltmakla kalmaz, aynı zamanda reaksiyondan sonra elmas/Cu arayüzünde bakır matrisinde katı olarak çözünen bir karbür tabakası da oluşturabilir. Bu şekilde, malzeme arayüzünde bulunan boşlukların çoğu değiştirilir ve doldurulur, böylece termal iletkenlik iyileştirilir.
04 Sonuç
Geleneksel paketleme malzemeleri gelişmiş yongalardan gelen ısıyı yönetmede yetersiz kalmaktadır. Ayarlanabilir CTE ve ultra yüksek termal iletkenliğe sahip Dia/Cu kompozitler, yeni nesil elektronikler için dönüştürücü bir çözüm sunmaktadır.
Sanayi ve ticareti birleştiren yüksek teknolojili bir kuruluş olan XKH, elmas/bakır kompozitler ve SiC/Al ve Gr/Cu gibi yüksek performanslı metal matris kompozitlerin araştırma, geliştirme ve üretimine odaklanarak, elektronik paketleme, güç modülleri ve havacılık alanları için 900W/(m·K) üzerinde termal iletkenliğe sahip yenilikçi termal yönetim çözümleri sunmaktadır.
XKH's Elmas bakır kaplı laminat kompozit malzeme:
Gönderi zamanı: 12-Mayıs-2025