Sejak tahun 1980-an, ketumpatan integrasi litar elektronik telah meningkat pada kadar tahunan 1.5× atau lebih cepat. Integrasi yang lebih tinggi membawa kepada ketumpatan arus dan penjanaan haba yang lebih besar semasa operasi.Jika tidak dihamburkan dengan cekap, haba ini boleh menyebabkan kegagalan haba dan mengurangkan jangka hayat komponen elektronik.
Bagi memenuhi permintaan pengurusan terma yang semakin meningkat, bahan pembungkusan elektronik termaju dengan kekonduksian terma yang unggul sedang dikaji dan dioptimumkan secara meluas.
Bahan komposit berlian/kuprum
01 Berlian dan Tembaga
Bahan pembungkusan tradisional termasuk seramik, plastik, logam dan aloinya. Seramik seperti BeO dan AlN mempamerkan CTE yang sepadan dengan semikonduktor, kestabilan kimia yang baik dan kekonduksian terma yang sederhana. Walau bagaimanapun, pemprosesan yang kompleks, kos yang tinggi (terutamanya toksik BeO), dan kerapuhannya mengehadkan aplikasi. Pembungkusan plastik menawarkan kos yang rendah, ringan dan penebat tetapi mengalami kekonduksian terma yang lemah dan ketidakstabilan suhu tinggi. Logam tulen (Cu, Ag, Al) mempunyai kekonduksian terma yang tinggi tetapi CTE yang berlebihan, manakala aloi (Cu-W, Cu-Mo) menjejaskan prestasi terma. Oleh itu, bahan pembungkusan baharu yang mengimbangi kekonduksian terma yang tinggi dan CTE yang optimum amat diperlukan.
| Pengukuhan | Kekonduksian Terma (W/(m·K)) | CTE (×10⁻⁶/℃) | Ketumpatan (g/cm³) |
| Berlian | 700–2000 | 0.9–1.7 | 3.52 |
| Zarah BeO | 300 | 4.1 | 3.01 |
| Zarah AlN | 150–250 | 2.69 | 3.26 |
| Zarah SiC | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| Zarah B₄C | 29–67 | 4.4 | 2.52 |
| Serat boron | 40 | ~5.0 | 2.6 |
| Zarah TiC | 40 | 7.4 | 4.92 |
| Zarah Al₂O₃ | 20–40 | 4.4 | 3.98 |
| Misai SiC | 32 | 3.4 | – |
| Zarah Si₃N₄ | 28 | 1.44 | 3.18 |
| Zarah TiB₂ | 25 | 4.6 | 4.5 |
| Zarah SiO₂ | 1.4 | <1.0 | 2.65 |
Berlian, bahan semula jadi yang paling sukar diketahui (Mohs 10), juga mempunyai ciri-ciri yang luar biasakekonduksian terma (200–2200 W/(m·K)).
Serbuk mikro berlian
Tembaga, dengan kekonduksian terma/elektrik yang tinggi (401 W/(m·K)), kemuluran dan kecekapan kos, digunakan secara meluas dalam IC.
Menggabungkan sifat-sifat ini,komposit berlian/kuprum (Dia/Cu).—dengan Cu sebagai matriks dan berlian sebagai tetulang—sedang muncul sebagai bahan pengurusan terma generasi akan datang.
02 Kaedah Fabrikasi Utama
Kaedah biasa untuk menyediakan berlian/kuprum termasuk: metalurgi serbuk, kaedah suhu tinggi dan tekanan tinggi, kaedah rendaman leburan, kaedah pensinteran plasma pelepasan, kaedah penyemburan sejuk, dan sebagainya.
Perbandingan kaedah penyediaan, proses dan sifat komposit berlian/kuprum bersaiz zarah tunggal yang berbeza
| Parameter | Metalurgi Serbuk | Tekanan Panas Vakum | Sintering Plasma Percikan (SPS) | Tekanan Tinggi Suhu Tinggi (HPHT) | Pemendapan Semburan Sejuk | Penyusupan Leburan |
| Jenis Berlian | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | PDA | MBD8/HHD |
| Matriks | Serbuk Cu 99.8% | Serbuk Cu elektrolitik 99.9% | Serbuk Cu 99.9% | Serbuk aloi/Cu tulen | Serbuk Cu tulen | Pukal/rod Cu tulen |
| Pengubahsuaian Antara Muka | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Saiz Zarah (μm) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Pecahan Isipadu (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| Suhu (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| Tekanan (MPa) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| Masa (min) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Ketumpatan Relatif (%) | 98.5 | 99.2–99.7 | – | – | – | 99.4–99.7 |
| Prestasi | ||||||
| Kekonduksian Terma Optimum (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
Teknik komposit Dia/Cu yang biasa termasuk:
(1)Metalurgi Serbuk
Serbuk berlian/Cu campuran dipadatkan dan disinter. Walaupun kos efektif dan mudah, kaedah ini menghasilkan ketumpatan terhad, mikrostruktur tidak homogen dan dimensi sampel terhad.
Sunit interim
(1)Tekanan Tinggi Suhu Tinggi (HPHT)
Menggunakan mesin tekan berbilang andas, Cu cair menyusup kekisi berlian di bawah keadaan yang ekstrem, menghasilkan komposit padat. Walau bagaimanapun, HPHT memerlukan acuan yang mahal dan tidak sesuai untuk pengeluaran berskala besar.
Cakhbar ubik
(1)Penyusupan Leburan
Cu cair meresap berlian terbentuk melalui penyusupan berbantukan tekanan atau didorong oleh kapilari. Komposit yang terhasil mencapai kekonduksian terma >446 W/(m·K).
(2)Sintering Plasma Percikan (SPS)
Arus berdenyut menyinter serbuk campuran dengan pantas di bawah tekanan. Walaupun cekap, prestasi SPS merosot pada pecahan berlian >65 vol%.
Gambarajah skematik sistem pensinteran plasma pelepasan
(5) Pemendapan Semburan Sejuk
Serbuk dipercepatkan dan dimendapkan ke atas substrat. Kaedah baharu ini menghadapi cabaran dalam kawalan kemasan permukaan dan pengesahan prestasi terma.
03 Pengubahsuaian Antara Muka
Bagi penyediaan bahan komposit, pembasahan bersama antara komponen merupakan prasyarat yang diperlukan untuk proses komposit dan faktor penting yang mempengaruhi struktur antara muka dan keadaan ikatan antara muka. Keadaan tidak pembasahan pada antara muka antara berlian dan Cu membawa kepada rintangan haba antara muka yang sangat tinggi. Oleh itu, adalah sangat penting untuk menjalankan kajian pengubahsuaian pada antara muka antara kedua-duanya melalui pelbagai cara teknikal. Pada masa ini, terdapat dua kaedah utama untuk memperbaiki masalah antara muka antara matriks berlian dan Cu: (1) Rawatan pengubahsuaian permukaan berlian; (2) Rawatan pengaloian matriks kuprum.
Gambarajah skematik pengubahsuaian: (a) Penyaduran langsung pada permukaan berlian; (b) Pengaloian matriks
(1) Pengubahsuaian permukaan berlian
Penyaduran elemen aktif seperti Mo, Ti, W dan Cr pada lapisan permukaan fasa pengukuhan boleh meningkatkan ciri-ciri antara muka berlian, sekali gus meningkatkan kekonduksian termanya. Sintering boleh membolehkan elemen di atas bertindak balas dengan karbon pada permukaan serbuk berlian untuk membentuk lapisan peralihan karbida. Ini mengoptimumkan keadaan pembasahan antara berlian dan tapak logam, dan salutan boleh menghalang struktur berlian daripada berubah pada suhu tinggi.
(2) Pengaloian matriks kuprum
Sebelum pemprosesan komposit bahan, rawatan pra-pengaloian dijalankan pada kuprum logam, yang boleh menghasilkan bahan komposit dengan kekonduksian terma yang umumnya tinggi. Doping elemen aktif dalam matriks kuprum bukan sahaja dapat mengurangkan Sudut pembasahan antara berlian dan kuprum secara berkesan, tetapi juga menghasilkan lapisan karbida yang larut dalam matriks kuprum pada antara muka berlian/Cu selepas tindak balas. Dengan cara ini, kebanyakan jurang yang wujud pada antara muka bahan diubah suai dan diisi, sekali gus meningkatkan kekonduksian terma.
04 Kesimpulan
Bahan pembungkusan konvensional tidak mencukupi dalam menguruskan haba daripada cip canggih. Komposit Dia/Cu, dengan CTE boleh tala dan kekonduksian terma ultra tinggi, mewakili penyelesaian transformatif untuk elektronik generasi akan datang.
Sebagai sebuah perusahaan berteknologi tinggi yang mengintegrasikan industri dan perdagangan, XKH memberi tumpuan kepada penyelidikan dan pembangunan serta pengeluaran komposit berlian/kuprum dan komposit matriks logam berprestasi tinggi seperti SiC/Al dan Gr/Cu, menyediakan penyelesaian pengurusan terma inovatif dengan kekonduksian terma melebihi 900W/(m·K) untuk bidang pembungkusan elektronik, modul kuasa dan aeroangkasa.
XKH'Bahan komposit lamina bersalut tembaga berlian:
Masa siaran: 12 Mei 2025