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 üretimine yol açar.Bu ısı verimli bir şekilde dağıtılmazsa, termal arızaya neden olabilir ve elektronik bileşenlerin ömrünü kısaltabilir.
Giderek artan termal yönetim taleplerini karşılamak için, üstün termal iletkenliğe sahip gelişmiş elektronik ambalaj malzemeleri üzerinde yoğun araştırmalar yapılmakta ve optimizasyon çalışmaları yürütülmektedir.
Elmas/bakır kompozit malzeme
01 Elmas ve Bakır
Geleneksel ambalaj malzemeleri arasında seramikler, plastikler, metaller ve alaşımları yer almaktadır. BeO ve AlN gibi seramikler, yarı iletkenlerle eşleşen termal genleşme katsayılarına (CTE), iyi kimyasal kararlılığa ve orta düzeyde termal iletkenliğe sahiptir. Bununla birlikte, karmaşık işleme süreçleri, yüksek maliyetleri (özellikle toksik BeO) ve kırılganlıkları uygulamalarını sınırlamaktadır. Plastik ambalajlar düşük maliyet, hafiflik ve yalıtım sunar ancak zayıf termal iletkenlik ve yüksek sıcaklık kararsızlığı sorunlarından muzdariptir. Saf metaller (Cu, Ag, Al) yüksek termal iletkenliğe ancak aşırı CTE'ye sahipken, alaşımlar (Cu-W, Cu-Mo) termal performansı tehlikeye atmaktadır. Bu nedenle, yüksek termal iletkenlik ve optimum CTE'yi dengeleyen yeni ambalaj malzemelerine acilen ihtiyaç duyulmaktadır.
| Takviye | Isı İletkenliği (W/(m·K)) | CTE (×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 |
| Boron 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 |
ElmasBilinen en sert doğal malzeme olan (Mohs 10) bu malzeme aynı zamanda olağanüstü özelliklere de sahiptir.termal iletkenlik (200–2200 W/(m·K)).
Elmas mikro tozu
Bakır, ile yüksek termal/elektriksel iletkenlik (401 W/(m·K))Esnekliği ve maliyet verimliliği nedeniyle entegre devrelerde yaygın olarak kullanılmaktadır.
Bu özellikleri bir araya getirerek,elmas/bakır (Dia/Cu) kompozitleriBakırın matris, elmasın ise takviye malzemesi olarak kullanıldığı bu malzemeler, yeni nesil termal yönetim malzemeleri olarak ortaya çıkıyor.
02 Temel Üretim Yöntemleri
Elmas/bakır hazırlamanın yaygın yöntemleri arasında toz metalurjisi, yüksek sıcaklık ve yüksek basınç yöntemi, eriyik daldırma yöntemi, deşarj plazma sinterleme yöntemi, soğuk püskürtme yöntemi vb. yer almaktadır.
Tek parçacık boyutlu elmas/bakır kompozitlerin farklı hazırlama yöntemleri, süreçleri ve özelliklerinin karşılaştırılması
| Parametre | Toz Metalurjisi | Vakumlu Sıcak Presleme | Kıvılcım Plazma Sinterleme (SPS) | Yüksek Basınç Yüksek Sıcaklık (HPHT) | Soğuk Püskürtme Kaplama | Erime İnfiltrasyonu |
| Elmas Tipi | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | PDA | MBD8/HHD |
| Matris | %99,8 bakır tozu | %99,9 saflıkta elektrolitik bakır tozu | %99,9 bakır tozu | Alaşımlı/saf bakır tozu | Saf bakır tozu | Saf bakır (çubuk/kalıp) |
| 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 |
| Süre (dk) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Bağıl Yoğunluk (%) | 98.5 | 99.2–99.7 | – | – | – | 99.4–99.7 |
| Performans | ||||||
| Optimal Isı İletkenliği (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
Yaygın Dia/Cu kompozit teknikleri şunları içerir:
(1)Toz Metalurjisi
Karışık elmas/bakır tozları sıkıştırılır ve sinterlenir. Maliyet etkin ve basit olmasına rağmen, bu yöntem sınırlı yoğunluk, homojen olmayan mikro yapılar ve kısıtlı numune boyutları ile sonuçlanır.
Sara birim
(1)Yüksek Basınç Yüksek Sıcaklık (HPHT)
Çoklu örs presleri kullanılarak, erimiş bakır aşırı koşullar altında elmas kafeslerine nüfuz ederek yoğun kompozitler üretir. Bununla birlikte, yüksek basınç ve yüksek sıcaklık (HPHT) yöntemi pahalı kalıplar gerektirir ve büyük ölçekli üretim için uygun değildir.
Cubic press
(1)Erime İnfiltrasyonu
Erimiş bakır, basınç destekli veya kılcal itme yöntemiyle elmas ön kalıplarına nüfuz eder. Elde edilen kompozitler >446 W/(m·K) termal iletkenliğe ulaşır.
(2)Kıvılcım Plazma Sinterleme (SPS)
Darbe akımı, basınç altında karıştırılmış tozları hızla sinterler. Verimli olmasına rağmen, SPS performansı elmas oranı %65'in üzerine çıktığında düşer.
Deşarj plazma sinterleme sisteminin şematik diyagramı
(5) Soğuk Püskürtme Biriktirme
Tozlar hızlandırılır ve alt tabakalara biriktirilir. Bu yeni yöntem, yüzey kalitesi kontrolü ve termal performans doğrulaması konularında zorluklarla karşı karşıyadır.
03 Arayüz Değişikliği
Kompozit malzemelerin hazırlanmasında, bileşenler arasındaki karşılıklı ıslatma, kompozit işlem için gerekli bir ön koşul ve arayüz yapısını ve arayüz bağlama durumunu etkileyen önemli bir faktördür. Elmas ve Cu arasındaki arayüzde ıslatma olmaması, çok yüksek bir arayüz termal direncine yol açar. Bu nedenle, ikisi arasındaki arayüzde çeşitli teknik araçlarla modifikasyon araştırması yapmak 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 alaşımlama işlemi.
Modifikasyon şematik diyagramı: (a) Elmas yüzeyine doğrudan kaplama; (b) Matris alaşımlama
(1) Elmasın yüzey modifikasyonu
Güçlendirici fazın yüzey katmanına Mo, Ti, W ve Cr gibi aktif elementlerin kaplanması, elmasın arayüz özelliklerini iyileştirerek ısı iletkenliğini artırabilir. Sinterleme işlemi, yukarıda belirtilen elementlerin elmas tozunun yüzeyindeki karbonla reaksiyona girerek bir karbür geçiş katmanı oluşturmasını sağlar. Bu, elmas ile metal taban arasındaki ıslatma durumunu optimize eder ve kaplama, elmasın yapısının yüksek sıcaklıklarda değişmesini önleyebilir.
(2) Bakır matrisin alaşımlanması
Kompozit malzemelerin işlenmesinden önce, metalik bakır üzerinde ön alaşımlama işlemi gerçekleştirilir; bu işlem, genellikle yüksek ısı iletkenliğine sahip kompozit malzemeler üretebilir. Bakır matrisine aktif elementlerin eklenmesi, elmas ve bakır arasındaki ıslatma açısını etkili bir şekilde azaltmakla kalmaz, aynı zamanda reaksiyon sonrasında elmas/bakır arayüzünde bakır matrisinde katı halde çözünebilen bir karbür tabakası oluşturur. Bu şekilde, malzeme arayüzünde mevcut olan boşlukların çoğu değiştirilir ve doldurulur, böylece ısı iletkenliği iyileştirilir.
04 Sonuç
Geleneksel ambalaj malzemeleri, gelişmiş çiplerden kaynaklanan ısıyı yönetmede yetersiz kalmaktadır. Ayarlanabilir CTE'ye ve ultra yüksek termal iletkenliğe sahip Dia/Cu kompozitleri, yeni nesil elektronikler için dönüştürücü bir çözüm sunmaktadır.
Endüstri ve ticareti entegre eden yüksek teknoloji kuruluşu XKH, elektronik ambalaj, güç modülleri ve havacılık alanlarında 900 W/(m·K)'nin üzerinde termal iletkenliğe sahip yenilikçi termal yönetim çözümleri sunmak üzere elmas/bakır kompozitleri ve SiC/Al ve Gr/Cu gibi yüksek performanslı metal matris kompozitlerinin araştırma, geliştirme ve üretimine odaklanmaktadır.
XKH'Elmas bakır kaplı laminat kompozit malzeme:
Yayın tarihi: 12 Mayıs 2025