În era 5G, compozitele diamant/metal pot salva dispozitivele semiconductoare supraîncălzite?

Odată cu dezvoltarea rapidă a tehnologiei electronice, tehnologia comunicațiilor a intrat treptat în era 5G. În timp ce materialele semiconductoare sunt în mod constant actualizate, circuitele integrate se mișcă, de asemenea, în direcția la scară largă, de înaltă integrare și de mare putere. Aplicarea materialelor semiconductoare cu bandă interzisă largă reprezentate de SiC și GaN a condus la dezvoltarea rapidă a tranzistoarelor bipolare cu poartă izolată (IGBT), ceea ce deschide o nouă situație pentru o nouă generație de tehnologie a informației.

Puterea mare și densitatea mare de curent sunt tendința de dezvoltare a cipurilor IGBT, care va provoca inevitabil supraîncălzirea componentelor electronice. Datele cercetării arată că atunci când temperatura suprafeței cipului atinge 70-80°C, fiabilitatea cipului scade cu 5% pentru fiecare creștere cu 1°C a temperaturii. Mai mult de 55% dintre modurile de defecțiune ale dispozitivelor electronice sunt cauzate de temperatură excesivă. Pentru a rezolva problema disipării căldurii, pe lângă adoptarea unei tehnologii de răcire mai eficiente, este urgent să se dezvolte noi materiale electronice ușoare de ambalare, cu o conductivitate termică mai mare de 400 W/(m·K) și un coeficient de expansiune care să se potrivească materialului semiconductor. Ca un nou tip de material de ambalare electronică, materialele compozite diamant/metal s-au mutat treptat în centrul scenei după mai bine de zece ani de cercetare și dezvoltare și sunt foarte așteptate.

Diamantul are performanțe excelente, cum ar fi lățime mare de bandă interzisă, duritate ridicată și conductivitate termică, viteză mare de saturație a electronilor, rezistență la temperatură ridicată, rezistență la coroziune și rezistență la radiații. Este utilizat în electronica de putere de înaltă tensiune și de înaltă eficiență, microelectronica de înaltă frecvență și putere mare, optoelectronica ultravioletă profundă și alte domenii au perspective de aplicare extrem de importante. Diamantul are cea mai mare conductivitate termică (2200W/(m·K)) dintre substanțele naturale cunoscute în prezent, care este de 4 ori mai mare decât carbura de siliciu (SiC), de 13 ori mai mare decât siliciul (Si) și mai mare decât arseniura de galiu (GaAs). ) Este de 43 de ori mai mare, ceea ce este de 4 până la 5 ori mai mare decât cuprul și argintul. În prezent, materialele compozite cu disipare a căldurii diamant/metal sunt promițătoare.

Diamantul este un cristal cubic, format prin legarea covalentă a atomilor de carbon. Multe dintre proprietățile extreme ale diamantului sunt rezultatul direct al rezistenței legăturii covalente sp³ care formează o structură rigidă și un număr mic de atomi de carbon. Metalul conduce căldura prin electroni liberi, iar conductivitatea sa termică ridicată este asociată cu o conductivitate electrică ridicată. În schimb, conducția căldurii în diamant este realizată numai prin vibrații ale rețelei (adică, fononi). Legăturile covalente extrem de puternice dintre atomii de diamant fac ca rețeaua cristalină rigidă să aibă o frecvență mare de vibrație, astfel încât temperatura sa caracteristică Debye este de până la 2220K. Deoarece majoritatea aplicațiilor sunt mult mai scăzute decât temperatura Debye, împrăștierea fononului este mică, astfel încât rezistența la conducerea căldurii cu fononul ca mediu este extrem de mică. Dar orice defect al rețelei va produce împrăștierea fononilor, reducând astfel conductivitatea termică, care este o caracteristică inerentă a tuturor materialelor cristaline.

Conductivitatea termică a materialelor compozite de diamant/cupru este limitată în principal de procesul de proiectare și pregătire a interfeței materialului compozit, în special de conductivitatea termică intrinsecă a matricei de cupru, diamantul, fracția de volum a diamantului, dimensiunea particulelor și îmbunătățirea interfața dintre cele două Este, de asemenea, deosebit de importantă. În general, diamantul cu o formă completă de cristal, conținut scăzut de azot, dimensiunea de 100-500 um este utilizat ca fază de armare a materialului compozit pentru a preveni transformarea suprafeței într-o fază asemănătoare grafitului, crește fracția de volum a diamantului din compozit. material și ajută la obținerea unui material compozit diamant/cupru de înaltă calitate.

În fața componentelor semiconductoare cu densitate de putere din ce în ce mai mare, merită să așteptăm cu nerăbdare dacă materialele compozite diamant/metal pot obține o disipare rapidă a căldurii.