1980 жылдардан бастап электрондық тізбектердің интеграция тығыздығы жыл сайын 1,5 есе немесе одан да жылдам өсіп келеді. Жоғары интеграция ток тығыздығының жоғарылауына және жұмыс кезінде жылу бөлінуіне әкеледі.Егер бұл жылу тиімді түрде таратылмаса, ол жылудың бұзылуына және электрондық компоненттердің қызмет ету мерзімін қысқартуға әкелуі мүмкін.
Жылулық басқарудың өсіп келе жатқан талаптарын қанағаттандыру үшін жоғары жылу өткізгіштігі бар озық электрондық қаптама материалдары кеңінен зерттеліп, оңтайландырылуда.
Алмаз/мыс композиттік материалы
01 Алмаз және мыс
Дәстүрлі қаптама материалдарына керамика, пластмассалар, металдар және олардың қорытпалары жатады. BeO және AlN сияқты керамика жартылай өткізгіштерге сәйкес келетін CTE, жақсы химиялық тұрақтылық және орташа жылу өткізгіштік қасиеттерін көрсетеді. Дегенмен, оларды күрделі өңдеу, жоғары құны (әсіресе улы BeO) және сынғыштығы қолдануды шектейді. Пластикалық қаптама төмен бағаны, жеңіл салмақты және оқшаулауды ұсынады, бірақ нашар жылу өткізгіштік пен жоғары температура тұрақсыздығынан зардап шегеді. Таза металдардың (Cu, Ag, Al) жылу өткізгіштігі жоғары, бірақ CTE шамадан тыс, ал қорытпалар (Cu-W, Cu-Mo) жылу өнімділігін төмендетеді. Осылайша, жоғары жылу өткізгіштік пен оңтайлы CTE теңестіретін жаңа қаптама материалдары шұғыл қажет.
| Күшейту | Жылу өткізгіштік (Вт/(м·К)) | CTE (×10⁻⁶/℃) | Тығыздық (г/см³) |
| Алмаз | 700–2000 | 0,9–1,7 | 3.52 |
| BeO бөлшектері | 300 | 4.1 | 3.01 |
| AlN бөлшектері | 150–250 | 2.69 | 3.26 |
| SiC бөлшектері | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| B₄C бөлшектері | 29–67 | 4.4 | 2.52 |
| Бор талшығы | 40 | ~5.0 | 2.6 |
| TiC бөлшектері | 40 | 7.4 | 4.92 |
| Al₂O₃ бөлшектері | 20–40 | 4.4 | 3.98 |
| SiC мұрттары | 32 | 3.4 | – |
| Si₃N₄ бөлшектері | 28 | 1.44 | 3.18 |
| TiB₂ бөлшектері | 25 | 4.6 | 4.5 |
| SiO₂ бөлшектері | 1.4 | <1.0 | 2.65 |
Алмаз, ең қатты белгілі табиғи материал (Mohs 10), сонымен қатар ерекше қасиеттерге иежылу өткізгіштік (200–2200 Вт/(м·К)).
Алмаз микро-ұнтағы
Мыс, бірге жоғары жылу/электр өткізгіштігі (401 Вт/(м·К)), икемділік және шығын тиімділігі интегралдық микросхемаларда кеңінен қолданылады.
Осы қасиеттерді біріктіре отырып,алмаз/мыс (Dia/Cu) композиттері—Cu матрица ретінде және алмаз арматура ретінде пайдаланылатындықтан, олар келесі буын жылу басқару материалдары ретінде пайда болуда.
02 Негізгі өндіріс әдістері
Алмаз/мысты дайындаудың кең таралған әдістеріне мыналар жатады: ұнтақ металлургиясы, жоғары температура және жоғары қысым әдісі, балқымамен батыру әдісі, разрядты плазмалық күйдіру әдісі, суық бүрку әдісі және т.б.
Бір бөлшек өлшемді алмас/мыс композиттерінің әртүрлі дайындау әдістерін, процестерін және қасиеттерін салыстыру
| Параметр | Ұнтақ металлургиясы | Вакуумдық ыстықтай престеу | Spark Plasma Factory (SPS) | Жоғары қысымды жоғары температура (HPHT) | Суық шашыратқыш тұндыру | Балқыма инфильтрациясы |
| Алмаз түрі | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | ҚҚК | MBD8/HHD |
| Матрица | 99,8% Cu ұнтағы | 99,9% электролиттік Cu ұнтағы | 99,9% Cu ұнтағы | Қорытпа/таза Cu ұнтағы | Таза Cu ұнтағы | Таза Cu көлемді/шыбықша |
| Интерфейсті өзгерту | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Бөлшектердің өлшемі (мкм) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Көлемдік үлес (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| Температура (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| Қысым (МПа) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| Уақыт (мин) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Салыстырмалы тығыздық (%) | 98,5 | 99.2–99.7 | – | – | – | 99.4–99.7 |
| Өнімділік | ||||||
| Оңтайлы жылу өткізгіштік (Вт/(м·К)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
Жалпы Dia/Cu композиттік әдістеріне мыналар жатады:
(1)Ұнтақ металлургиясы
Аралас алмас/Cu ұнтақтары тығыздалады және күйдіріледі. Бұл әдіс үнемді және қарапайым болғанымен, тығыздығы шектеулі, микроқұрылымдардың біртекті емес және үлгі өлшемдерінің шектеулі болуын қамтамасыз етеді.
Sөзара байланысқан бөлімше
(1)Жоғары қысымды жоғары температура (HPHT)
Көп төсті престерді пайдалану арқылы балқытылған Cu экстремалды жағдайларда гауһар торларға еніп, тығыз композиттерді шығарады. Дегенмен, HPHT қымбат қалыптарды қажет етеді және ірі көлемді өндіріске жарамсыз.
Cкеуде прессі
(1)Балқыма инфильтрациясы
Балқытылған мыс алмас преформаларына қысыммен немесе капиллярлық инфильтрация арқылы енеді. Нәтижесінде алынған композиттер >446 Вт/(м·К) жылу өткізгіштікке жетеді.
(2)Spark Plasma Factory (SPS)
Импульстік ток аралас ұнтақтарды қысым астында тез бөлшектейді. Тиімді болғанымен, SPS өнімділігі 65 көлемнен жоғары алмас фракцияларында төмендейді.
Разрядты плазмалық күйдіру жүйесінің схемалық диаграммасы
(5) Суық шашыратқыш тұндыру
Ұнтақтар үдетіліп, негіздерге тұндырылады. Бұл жаңа әдіс беткі өңдеуді бақылау және жылу өнімділігін тексеруде қиындықтарға тап болады.
03 Интерфейсті өзгерту
Композиттік материалдарды дайындау үшін компоненттер арасындағы өзара сулану композиттік процестің қажетті алғышарты және интерфейс құрылымы мен интерфейс байланыс күйіне әсер ететін маңызды фактор болып табылады. Алмаз бен мыс арасындағы интерфейстегі суланбау жағдайы интерфейстің өте жоғары термиялық кедергісіне әкеледі. Сондықтан, әртүрлі техникалық құралдар арқылы екеуінің интерфейсін модификациялау бойынша зерттеулер жүргізу өте маңызды. Қазіргі уақытта алмас пен мыс матрицасы арасындағы интерфейс мәселесін жақсартудың негізінен екі әдісі бар: (1) Алмаздың бетін модификациялау; (2) Мыс матрицасын қорытпамен өңдеу.
Модификациялау схемасы: (a) Алмаз бетіне тікелей қаптау; (b) Матрицалық қорытпамен қаптау
(1) Алмаз бетінің модификациясы
Арматуралау фазасының беткі қабатына Mo, Ti, W және Cr сияқты белсенді элементтерді жағу алмастың беткі сипаттамаларын жақсарта алады, осылайша оның жылу өткізгіштігін арттырады. Күйдіру жоғарыда аталған элементтердің алмас ұнтағының бетіндегі көміртекпен әрекеттесіп, карбидті өтпелі қабат түзуіне мүмкіндік береді. Бұл алмас пен металл негізі арасындағы ылғалдану күйін оңтайландырады, ал жабын алмас құрылымының жоғары температурада өзгеруіне жол бермейді.
(2) Мыс матрицасын қорыту
Материалдарды композиттік өңдеуден бұрын металл мыста алдын ала қорытпалау өңдеуі жүргізіледі, бұл жалпы алғанда жоғары жылу өткізгіштігі бар композиттік материалдарды алуға мүмкіндік береді. Мыс матрицасындағы белсенді элементтерді легирлеу алмаз бен мыс арасындағы ылғалдану бұрышын тиімді түрде төмендетіп қана қоймай, сонымен қатар реакциядан кейін алмаз/Cu интерфейсінде мыс матрицасында қатты еритін карбид қабатын түзе алады. Осылайша, материал интерфейсіндегі бос орындардың көпшілігі өзгертіліп, толтырылады, осылайша жылу өткізгіштік жақсарады.
04 Қорытынды
Дәстүрлі қаптама материалдары озық чиптерден шығатын жылуды басқаруда кемшіліктерге ұшырайды. Реттелетін CTE және аса жоғары жылу өткізгіштігі бар Dia/Cu композиттері келесі буын электроникасы үшін трансформациялық шешім болып табылады.
Өнеркәсіп пен сауданы біріктіретін жоғары технологиялық кәсіпорын ретінде XKH электронды қаптама, энергетикалық модульдер және аэроғарыш салалары үшін 900 Вт/(м·К) астам жылу өткізгіштігі бар инновациялық жылу басқару шешімдерін ұсына отырып, гауһар/мыс композиттерін және SiC/Al және Gr/Cu сияқты жоғары өнімді металл матрицалық композиттерін зерттеуге, әзірлеуге және өндіруге баса назар аударады.
XXKH's Алмаз мыспен қапталған ламинатталған композиттік материал:
Жарияланған уақыты: 2025 жылғы 12 мамыр