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 arıza 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 ambalaj malzemeleri arasında seramikler, plastikler, metaller ve alaşımları bulunur. BeO2 ve AlN gibi seramikler, yarı iletkenlerle uyumlu CTE'ler, iyi kimyasal kararlılık ve orta düzeyde termal iletkenlik sergiler. Ancak, karmaşık işleme süreçleri, yüksek maliyetleri (özellikle toksik BeO2) ve kırılganlıkları uygulamaları sınırlar. Plastik ambalajlar düşük maliyet, hafiflik ve yalıtım sunar, ancak düşük termal iletkenlik ve yüksek sıcaklık kararsızlığı gibi sorunlarla karşı karşıyadır. Saf metaller (Cu, Ag, Al) yüksek termal iletkenliğe sahipken aşırı CTE'ye sahiptir; alaşımlar (Cu-W, Cu-Mo) ise termal performansı olumsuz etkiler. Bu nedenle, yüksek termal iletkenlik ve optimum CTE'yi dengeleyen yeni ambalaj malzemelerine acilen ihtiyaç duyulmaktadır.
| Takviye | Isıl İletkenlik (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 |
| 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 sahiptirısıl iletkenlik (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, prosesleri 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 | HFD-D | 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. Uygun maliyetli 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 bakır, basınç destekli veya kılcal sızma yoluyla elmas preformlara 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, elmas fraksiyonları hacimce %65'in üzerinde olduğunda SPS performansı düşer.
Deşarj plazma sinterleme sisteminin şematik diyagramı
(5) Soğuk Sprey Birikimi
Tozlar hızlandırılır ve alt tabakalara biriktirilir. Bu yeni yöntem, yüzey kalitesi kontrolü ve termal performans doğrulaması konusunda zorluklarla karşı karşıyadır.
03 Arayüz Değişikliği
Kompozit malzemelerin hazırlanmasında, bileşenler arasındaki karşılıklı ıslanma, kompozit prosesi için gerekli bir ön koşul ve arayüz yapısı ile arayüz bağlanma durumunu etkileyen önemli bir faktördür. Elmas ve Cu arasındaki arayüzde ıslanmama durumu, çok yüksek bir arayüz termal direncine yol açar. Bu nedenle, ikisi arasındaki arayüz üzerinde çeşitli teknik yöntemlerle modifikasyon araştırmaları yapmak çok önemlidir. Şu anda, elmas ve Cu matrisi arasındaki arayüz problemini iyileştirmek için temel olarak iki yöntem bulunmaktadır: (1) Elmasın yüzey modifikasyonu işlemi; (2) Bakır matrisinin alaşımlanması işlemi.
Modifikasyon şematik diyagramı: (a) Elmasın yüzeyine doğrudan kaplama; (b) Matris alaşımı
(1) Elmasın yüzey modifikasyonu
Takviye fazının yüzey tabakasına Mo, Ti, W ve Cr gibi aktif elementlerin kaplanması, elmasın arayüz özelliklerini iyileştirerek termal iletkenliğini artırabilir. Sinterleme, yukarıdaki elementlerin elmas tozunun yüzeyindeki karbonla reaksiyona girerek bir karbür geçiş tabakası oluşturmasını sağlayabilir. Bu, elmas ve metal taban arasındaki ıslanma durumunu optimize eder ve kaplama, elmasın yapısının yüksek sıcaklıklarda değişmesini önleyebilir.
(2) Bakır matrisinin alaşımlanması
Malzemelerin kompozit işlenmesinden önce, metalik bakıra ön alaşımlama işlemi uygulanır ve bu da genellikle yüksek ısı iletkenliğine sahip kompozit malzemeler elde edilmesini sağlar. Bakır matrisine aktif elementlerin eklenmesi, elmas ve bakır arasındaki ıslanma açısını etkili bir şekilde azaltmakla kalmaz, aynı zamanda reaksiyon sonrasında elmas/Cu ara yüzünde bakır matrisinde katı halde çözünen bir karbür tabakası oluşturur. Bu şekilde, malzeme ara yüzündeki mevcut boşlukların çoğu modifiye edilip doldurulur ve böylece ısı iletkenliği 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