Kan diamant/metallkompositer under 5G-eran rädda överhettade halvledarenheter?
Med den snabba utvecklingen av elektronisk teknik har kommunikationstekniken gradvis kommit in i 5G-eran. Medan halvledarmaterialen ständigt uppdateras, rör sig integrerade kretsar också i riktning mot storskalighet, högintegration och högeffekt. Tillämpningen av halvledarmaterial med breda bandgap representerade av SiC och GaN har lett till den snabba utvecklingen av bipolära transistorer med isolerade grindar (IGBT), vilket öppnar upp en ny situation för en ny generation av informationsteknologi.
Hög effekt och hög strömtäthet är utvecklingstrenden för IGBT-chips, vilket oundvikligen kommer att orsaka överhettning av elektroniska komponenter. Forskningsdata visar att när spånets yttemperatur når 70-80°C, minskar spånets tillförlitlighet med 5 % för varje 1°C temperaturökning. Mer än 55 % av fellägen för elektroniska enheter orsakas av för hög temperatur. För att lösa värmeavledningsproblemet är det, förutom att anta mer effektiv kylteknik, brådskande att utveckla nya lätta elektroniska förpackningsmaterial med en värmeledningsförmåga större än 400W/(m·K) och en expansionskoefficient som matchar halvledarmaterialet. Som en ny typ av elektroniskt förpackningsmaterial har diamant/metallkompositmaterial gradvis flyttat till scenens centrum efter mer än tio års forskning och utveckling, och är mycket förväntade.
Diamant har utmärkt prestanda såsom stor förbjuden bandbredd, hög hårdhet och värmeledningsförmåga, hög elektronmättnadsdrifthastighet, hög temperaturbeständighet, korrosionsbeständighet och strålningsbeständighet. Den används i högspännings- och högeffektiv kraftelektronik, högfrekvent och högeffektmikroelektronik, djup ultraviolett optoelektronik och andra områden har extremt viktiga tillämpningsmöjligheter. Diamant har den högsta värmeledningsförmågan (2200W/(m·K)) bland de för närvarande kända naturliga ämnena, som är 4 gånger större än kiselkarbid (SiC), 13 gånger större än kisel (Si) och större än galliumarsenid (GaAs) ) Den är 43 gånger större, vilket är 4 till 5 gånger så stor som koppar och silver. För närvarande är diamant/metall värmeavledande kompositmaterial lovande.
Diamant är en kubisk kristall, bildad av kovalent bindning av kolatomer. Många av de extrema egenskaperna hos diamant är det direkta resultatet av sp³ kovalent bindningsstyrka som bildar en stel struktur och ett litet antal kolatomer. Metall leder värme genom fria elektroner, och dess höga värmeledningsförmåga är förknippad med hög elektrisk ledningsförmåga. Däremot åstadkoms värmeledning i diamant endast genom gittervibrationer (dvs. fononer). De extremt starka kovalenta bindningarna mellan diamantatomer gör att det styva kristallgittret har en hög vibrationsfrekvens, så dess Debye-karakteristiska temperatur är så hög som 2220K. Eftersom de flesta applikationer är mycket lägre än Debye-temperaturen är fononspridningen liten, så värmeledningsresistansen med fononen som medium är extremt liten. Men varje gitterdefekt kommer att producera fononspridning, vilket minskar värmeledningsförmågan, vilket är en inneboende egenskap hos alla kristallmaterial.
Värmeledningsförmågan hos diamant/kopparkompositmaterial begränsas huvudsakligen av design- och beredningsprocessen för kompositmaterialgränssnittet, särskilt den inneboende värmeledningsförmågan hos kopparmatrisen, diamant, volymfraktionen av diamant, partikelstorlek och förbättringen av gränssnittet mellan de två Det är också särskilt viktigt. Generellt används diamant med en fullständig kristallform, låg kvävehalt, 100-500 um storlek som förstärkningsfas av kompositmaterialet för att förhindra att ytan omvandlas till en grafitliknande fas, öka volymfraktionen av diamant i kompositen material, och hjälpa till att erhålla högkvalitativt diamant-/kopparkompositmaterial.
Inför halvledarkomponenter med ständigt ökande effekttäthet är det värt att se fram emot om diamant/metallkompositmaterial kan uppnå snabb värmeavledning.
