Dagli anni '80, la densità di integrazione dei circuiti elettronici è aumentata a un tasso annuo di 1,5 volte o più. Una maggiore integrazione comporta maggiori densità di corrente e maggiore generazione di calore durante il funzionamento.Se non viene dissipato in modo efficiente, questo calore può causare guasti termici e ridurre la durata dei componenti elettronici.
Per soddisfare le crescenti esigenze di gestione termica, vengono ampiamente studiati e ottimizzati materiali avanzati per l'imballaggio elettronico dotati di conduttività termica superiore.
Materiale composito diamante/rame
01 Diamante e Rame
I materiali di imballaggio tradizionali includono ceramiche, plastiche, metalli e le loro leghe. Ceramiche come BeO e AlN presentano CTE (centri di ebollizione) corrispondenti a quelle dei semiconduttori, buona stabilità chimica e moderata conduttività termica. Tuttavia, la loro complessa lavorazione, l'elevato costo (in particolare del BeO tossico) e la fragilità ne limitano le applicazioni. Gli imballaggi in plastica offrono basso costo, leggerezza e isolamento, ma soffrono di scarsa conduttività termica e instabilità alle alte temperature. I metalli puri (Cu, Ag, Al) presentano un'elevata conduttività termica ma un CTE eccessivo, mentre le leghe (Cu-W, Cu-Mo) compromettono le prestazioni termiche. Pertanto, sono urgentemente necessari nuovi materiali di imballaggio che bilancino elevata conduttività termica e CTE ottimale.
| Rinforzo | Conduttività termica (W/(m·K)) | CTE (×10⁻⁶/℃) | Densità (g/cm³) |
| Diamante | 700–2000 | 0,9–1,7 | 3.52 |
| particelle di BeO | 300 | 4.1 | 3.01 |
| particelle di AlN | 150–250 | 2.69 | 3.26 |
| particelle di SiC | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| particelle B₄C | 29–67 | 4.4 | 2.52 |
| Fibra di boro | 40 | ~5.0 | 2.6 |
| particelle di TiC | 40 | 7.4 | 4.92 |
| particelle di Al₂O₃ | 20–40 | 4.4 | 3,98 |
| Baffi di SiC | 32 | 3.4 | – |
| Particelle di Si₃N₄ | 28 | 1.44 | 3.18 |
| Particelle di TiB₂ | 25 | 4.6 | 4.5 |
| particelle di SiO₂ | 1.4 | <1.0 | 2.65 |
Diamante, il materiale naturale più duro conosciuto (Mohs 10), possiede anche eccezionaliconduttività termica (200–2200 W/(m·K)).
Micropolvere di diamante
Rame, con elevata conduttività termica/elettrica (401 W/(m·K)), duttilità ed efficienza dei costi, è ampiamente utilizzato nei circuiti integrati.
Combinando queste proprietà,compositi diamante/rame (Dia/Cu).—con Cu come matrice e diamante come rinforzo—stanno emergendo come materiali di gestione termica di nuova generazione.
02 Metodi di fabbricazione chiave
I metodi più comuni per la preparazione del diamante/rame includono: metallurgia delle polveri, metodo ad alta temperatura e alta pressione, metodo a immersione in fusione, metodo di sinterizzazione al plasma di scarica, metodo di spruzzatura a freddo, ecc.
Confronto di diversi metodi di preparazione, processi e proprietà di compositi diamante/rame di particelle singole
| Parametro | Metallurgia delle polveri | Pressatura a caldo sotto vuoto | Sinterizzazione al plasma a scintilla (SPS) | Alta pressione e alta temperatura (HPHT) | Deposizione a spruzzo freddo | Infiltrazione di fusione |
| Tipo di diamante | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | PDA | MBD8/HHD |
| Matrice | Polvere di rame al 99,8% | Polvere di Cu elettrolitica al 99,9% | Polvere di rame al 99,9% | Lega/polvere di Cu puro | Polvere di rame pura | Rame puro in massa/barra |
| Modifica dell'interfaccia | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Dimensione delle particelle (μm) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Frazione di volume (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| Temperatura (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| Pressione (MPa) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| Tempo (minuti) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Densità relativa (%) | 98,5 | 99,2–99,7 | – | – | – | 99,4–99,7 |
| Prestazione | ||||||
| Conduttività termica ottimale (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
Le tecniche composite comuni Dia/Cu includono:
(1)Metallurgia delle polveri
Le polveri miste di diamante/Cu vengono compattate e sinterizzate. Sebbene economico e semplice, questo metodo produce densità limitata, microstrutture disomogenee e dimensioni del campione limitate.
Sunità di interscambio
(1)Alta pressione e alta temperatura (HPHT)
Utilizzando presse multi-incudine, il rame fuso si infiltra nei reticoli di diamante in condizioni estreme, producendo compositi densi. Tuttavia, l'HPHT richiede stampi costosi e non è adatto alla produzione su larga scala.
CUbic Press
(1)Infiltrazione di fusione
Il rame fuso permea le preforme di diamante tramite infiltrazione assistita da pressione o per via capillare. I compositi risultanti raggiungono una conduttività termica >446 W/(m·K).
(2)Sinterizzazione al plasma a scintilla (SPS)
La corrente pulsata sinterizza rapidamente le polveri miste sotto pressione. Sebbene efficiente, l'SPS degrada le prestazioni con frazioni di diamante superiori al 65% in volume.
Schema del sistema di sinterizzazione al plasma di scarica
(5) Deposizione a spruzzo freddo
Le polveri vengono accelerate e depositate sui substrati. Questo metodo nascente presenta delle sfide nel controllo della finitura superficiale e nella convalida delle prestazioni termiche.
03 Modifica dell'interfaccia
Per la preparazione di materiali compositi, la reciproca bagnatura tra i componenti è un prerequisito necessario per il processo di composito e un fattore importante che influenza la struttura dell'interfaccia e lo stato di legame dell'interfaccia. La condizione di non bagnatura all'interfaccia tra diamante e Cu determina un'elevatissima resistenza termica dell'interfaccia. Pertanto, è fondamentale condurre ricerche sulla modifica dell'interfaccia tra i due attraverso diverse tecniche. Attualmente, esistono principalmente due metodi per migliorare il problema dell'interfaccia tra diamante e matrice di Cu: (1) Trattamento di modifica superficiale del diamante; (2) Trattamento di alligazione della matrice di rame.
Schema di modifica: (a) Placcatura diretta sulla superficie del diamante; (b) Lega di matrice
(1) Modificazione della superficie del diamante
Il rivestimento di elementi attivi come Mo, Ti, W e Cr sullo strato superficiale della fase di rinforzo può migliorare le caratteristiche interfacciali del diamante, aumentandone così la conduttività termica. La sinterizzazione consente agli elementi sopra menzionati di reagire con il carbonio sulla superficie della polvere di diamante per formare uno strato di transizione di carburo. Ciò ottimizza lo stato di bagnatura tra il diamante e la base metallica e il rivestimento può impedire che la struttura del diamante cambi ad alte temperature.
(2) Legazione della matrice di rame
Prima della lavorazione dei materiali compositi, viene eseguito un trattamento di pre-legatura sul rame metallico, che può produrre materiali compositi con un'elevata conduttività termica. Il drogaggio di elementi attivi nella matrice di rame non solo può ridurre efficacemente l'angolo di bagnatura tra diamante e rame, ma anche generare uno strato di carburo che, dopo la reazione, risulta solubile nella matrice di rame all'interfaccia diamante/Cu. In questo modo, la maggior parte degli spazi vuoti presenti all'interfaccia del materiale viene modificata e riempita, migliorando così la conduttività termica.
04 Conclusion
I materiali di packaging convenzionali non sono in grado di gestire il calore generato dai chip avanzati. I compositi Dia/Cu, con CTE regolabile e conduttività termica ultraelevata, rappresentano una soluzione rivoluzionaria per l'elettronica di nuova generazione.
In qualità di azienda high-tech che integra industria e commercio, XKH si concentra sulla ricerca, sviluppo e produzione di compositi diamante/rame e compositi a matrice metallica ad alte prestazioni quali SiC/Al e Gr/Cu, fornendo soluzioni innovative di gestione termica con conduttività termica superiore a 900 W/(m·K) per i settori del packaging elettronico, dei moduli di potenza e dell'industria aerospaziale.
XKH'Materiale composito laminato rivestito in rame diamantato:
Data di pubblicazione: 12 maggio 2025