À l'ère de la 5G, les composites diamant/métal sauvent-ils les dispositifs semi-conducteurs surchauffés !

2021-08-18 10:23:41 85

À l'ère de la 5G, les composites diamant/métal peuvent-ils sauver des dispositifs semi-conducteurs surchauffés !

Mots clés matériaux diamantés, 5G|2019-10-22 10:05:49|Source China Superhard Materials Net

Avec le développement rapide de la technologie électronique, la technologie de la communication est progressivement entrée dans l'ère de la 5G. Alors que les matériaux semi-conducteurs sont constamment mis à jour, les circuits intégrés évoluent également dans le sens d'une grande échelle, d'une intégration élevée et d'une puissance élevée. L'application de matériaux semi-conducteurs à large bande interdite représentés par le SiC et le GaN a conduit au développement rapide des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) et ouvre une nouvelle génération de technologies de l'information.

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Une puissance élevée et une densité de courant élevée sont la tendance de développement des puces IGBT, ce qui entraînera inévitablement une surchauffe des composants électroniques. Les données de recherche montrent que lorsque la température de surface de la puce atteint 70 ~ 80 ° C, la fiabilité de la puce diminue de 5 % pour chaque augmentation de température de 1 ° C, et le mode de défaillance des équipements électroniques dépassant 55 % est causé par une température excessive. . Pour résoudre le problème de dissipation thermique, en plus d'utiliser une technologie de refroidissement plus efficace, il est extrêmement urgent de développer un nouveau matériau d'emballage électronique léger avec une conductivité thermique supérieure à 400 W/(m·K) et un coefficient de dilatation correspondant aux matériaux semi-conducteurs. En tant que nouvelle classe de matériaux d'emballage électronique, les matériaux composites diamant/métal sont progressivement entrés sur le devant de la scène après plus de dix ans de recherche et développement.

Les principales propriétés du diamant

Le diamant a une excellente largeur de bande interdite, une dureté et une conductivité thermique élevées, une vitesse de dérive de saturation élevée des électrons, une résistance à haute température, une résistance à la corrosion, une résistance aux rayonnements, etc., dans l'électronique de puissance haute tension et haute efficacité, la microélectronique haute fréquence et haute puissance, l'ultraviolet profond l'optoélectronique et d'autres domaines ont des perspectives d'application extrêmement importantes. Le diamant a la conductivité thermique la plus élevée (2200W/(m·K)) des matériaux naturels connus, 4 fois plus grand que le carbure de silicium (SiC) et 13 fois plus grand que le silicium (Si), que l'arsenic (GaAs). 43 fois plus gros, 4 à 5 fois celui du cuivre et de l'argent. A l'heure actuelle, il existe de nombreuses possibilités de dissipation thermique des matériaux composites diamant/métal.

Principe de conduction thermique du diamant

Le diamant est un cristal cubique formé par liaison covalente d'atomes de carbone. Bon nombre des propriétés ultimes du diamant sont le résultat direct de la force de la liaison covalente sp3 et de la petite quantité d'atomes de carbone qui forment une structure rigide. Les métaux conduisent la chaleur à travers les électrons libres, et leur conductivité thermique élevée est associée à une conductivité électrique élevée. En revanche, la conduction thermique dans le diamant se fait uniquement par vibration du réseau (c'est-à-dire les phonons). La forte liaison covalente entre les atomes de diamant donne au réseau rigide une fréquence de vibration élevée, de sorte que sa température caractéristique de Debye atteint 2220K. Étant donné que la plupart des applications sont bien inférieures à la température de Debye et que la diffusion des phonons est faible, la résistance au transfert de chaleur médiée par les phonons est extrêmement faible. Cependant, tout défaut de réseau produit une diffusion des phonons, ce qui réduit la conductivité thermique, caractéristique inhérente à tous les matériaux cristallins.

Introduction de matériaux d'emballage électronique

Les matériaux d'emballage électronique sont des matériaux d'emballage à faible coefficient de dilatation thermique et à haute conductivité thermique pour l'industrie de la microélectronique. Ils sont largement utilisés dans divers domaines d'emballage tels que les dispositifs à semi-conducteurs, les circuits intégrés, les automobiles, l'armée et l'aérospatiale. Son but est de protéger les composants électroniques des interférences externes telles que la poussière, l'humidité, les chocs, les vibrations et les produits chimiques. Il peut supporter l'appareil et dériver la chaleur générée par les composants électroniques pour fournir un environnement stable pour que l'appareil électronique fonctionne correctement. Par conséquent, en tant que matériau d'emballage électronique, il existe les exigences suivantes.

(1) Bonne étanchéité à l'air : pour garantir que l'appareil électronique est exempt d'interférences externes et fournir un bon environnement de travail pour les matériaux semi-conducteurs ;

(2) Conductivité thermique élevée : la dissipation thermique des nouveaux composants électroniques nécessite que les matériaux d'emballage électroniques de la nouvelle ère aient une conductivité thermique ultra-élevée pour répondre à leurs besoins de dissipation thermique ;

(3) un coefficient de dilatation thermique (CTE) correspondant au matériau semi-conducteur ;

(4) Haute résistance et rigidité : capable de fournir un bon support mécanique et une bonne protection pour les composants électroniques ;

(5) Bonnes performances de traitement et de soudage : il peut être transformé en diverses formes compliquées et est facile à emballer ;

(6) Basse densité : répondre aux besoins d'allègement des nouveaux appareils électroniques, leur permettant d'être utilisés dans l'aérospatiale et d'autres domaines

(7) Performances fiables et faible coût : Il peut étendre la gamme d'applications des matériaux d'emballage électroniques, ce qui le rend répandu et civilisé. Diamond Tools manufacture
Tableau 1 : Paramètres de performance des puces et des matériaux d'emballage électroniques courants

Tableau 2 : Comparaison des avantages et des inconvénients des matériaux d'emballage électroniques courants

Dans l'ensemble, en tant que quatrième type de matériau d'emballage, les matériaux composites à matrice métallique devraient être élevés. À l'heure actuelle, les matériaux composites diamant/Cu et les matériaux composites diamant/Al sont au cœur de la recherche. En prenant comme exemple le composite diamant/Cu, après avoir déterminé la taille et la forme cristalline de la matrice de cuivre et des particules de diamant, la sélection du processus de préparation approprié est un facteur important pour déterminer si le matériau composite peut obtenir d'excellentes propriétés thermiques et une structure d'interface idéale.

Préparation

Le procédé de préparation du composite diamant/cuivre comprend principalement un procédé à haute température et haute pression, un procédé de frittage par presse à chaud (procédé de métallurgie des poudres), un procédé de frittage par plasma à décharge, un procédé de coulée par extrusion, un procédé de dépôt par pulvérisation, etc. Ce qui suit est une brève introduction aux différentes méthodes.

Méthode haute température et haute pression : Cette méthode est couramment utilisée dans la préparation et la synthèse de matériaux ultra-durs, et seuls des échantillons de forme et de régularité simples peuvent être préparés, et les conditions de préparation sont difficiles, donc le coût est élevé.

Méthode de frittage par pressage à chaud : Cette méthode est développée sur la base de la métallurgie des poudres. Les particules de diamant et la poudre métallique sont mélangées uniformément et placées dans un moule préconçu, et soumises à un chauffage, une pressurisation et un maintien de la pression dans des conditions de vide appropriées. Les matériaux composites peuvent être obtenus par refroidissement, démoulage, etc. La méthode de frittage par presse à chaud permet de préparer des matériaux composites aux propriétés ajustables en ajustant le contenu de chaque composant, mais il existe également des inconvénients, tels que des exigences élevées en matières premières, une phase améliorée. la fraction volumique n'est pas facile à dépasser 55%, sinon le matériau composite est difficile à être dense.

Méthode de frittage par plasma de décharge : un nouveau type de technologie de métallurgie des poudres pour la formation rapide de matériaux composites en utilisant le plasma généré par les poinçons de matrice supérieur et inférieur et les électrodes sous tension pour former une décharge de plasma entre les poudres, l'activation de la décharge, la déformation thermoplastique et le refroidissement. En raison de la basse tension et du courant élevé, la poudre est frittée en peu de temps et densifiée. Bien que la méthode de frittage par plasma à étincelles ait une vitesse de chauffage rapide, un processus simple et un temps de frittage court, étant donné que le frittage par plasma de décharge est également limité par la fraction volumique du diamant, il est difficile d'atteindre une conductivité thermique ultra-élevée, et augmenter encore le volume du diamant. La partition n'est pas frittée.

Méthode de coulée sous pression : Le principe fait référence à une technique dans laquelle un métal semi-solide ou liquide est rempli et refroidi sous pression et finalement solidifié. Lorsque le composite diamant/cuivre est préparé par coulée par extrusion, les particules de diamant doivent être placées dans la cavité du moule pour être secouées et secouées, puis le liquide de métal fondu (élément ou alliage) est injecté et une pression est appliquée. La méthode de préparation du matériau composite nécessite de concevoir la forme du moule et le point de fusion du liquide métallique versé n'est pas trop élevé. Cette méthode est donc principalement utilisée pour préparer le matériau composite diamant/aluminium.

Méthode de dépôt par pulvérisation : en plaçant deux types de poudre mélangée dans un four, après fusion du métal, processus d'atomisation du métal liquide, dépôt par pulvérisation sur la plaque de substrat. Le modèle d'utilité présente les avantages que le mélange de matériaux, la pulvérisation et le dépôt du matériau composite peuvent être complétés en une seule étape, la solidification peut être rapidement solidifiée, la ségrégation de solidification et la ségrégation de la phase particulaire de renforcement dans le métal fondu sont résolues , et le matériau composite est également résolu en raison de la vitesse de refroidissement rapide. Une réaction excessivement interfaciale se produit entre les composants au milieu, et le schéma est le suivant. Diamond Tools manufacture
Schéma de principe de la préparation composite par dépôt par pulvérisation

Méthode d'infiltration : Cette méthode est un procédé de remplissage d'une préforme de renfort poreuse 8 à l'état fondu en utilisant un métal ou un alliage ayant un point de fusion inférieur à celui du corps de renfort. La porosité est la fraction volumique du remplissage de la matrice, et l'infiltration peut être divisée en infiltration sans pression. Infiltration sous pression. La méthode d'infiltration sans pression prépare généralement deux matériaux ayant un angle de mouillage inférieur à 90 ° (bonne mouillabilité), qui repose principalement sur les pores à l'intérieur de la préforme pour générer une force capillaire vers le métal en fusion pour aspirer le métal en fusion à l'intérieur. L'infiltration sous pression est à une température supérieure au point de fusion du métal, et le métal fondu est infiltré dans l'espace de la préforme en appliquant une pression mécanique ou une pression de gaz inerte. Par rapport à l'infiltration sans pression, le temps nécessaire à la préparation de l'infiltration sous pression est plus court et le matériau composite obtenu est plus compact, ce qui est privilégié par les chercheurs.

La conductivité thermique des composites diamant/cuivre est principalement limitée par le processus de conception et de préparation de l'interface composite, en particulier la matrice de cuivre, la conductivité thermique intrinsèque du diamant, la fraction volumique du diamant, la taille des particules et l'amélioration de l'interface entre le deux. C'est aussi très important. Généralement, la forme cristalline est complète, la teneur en azote est faible et le diamant de 100 à 500 um est utilisé comme phase de renforcement du matériau composite pour empêcher la surface de se transformer en phase de type graphite et la fraction volumique du diamant dans le matériau composite est amélioré, ce qui est utile pour obtenir un composite diamant/cuivre de haute qualité.

Face à des composants semi-conducteurs à densité de puissance toujours croissante, il vaut la peine de s'attendre à ce qu'un composite diamant/métal permette d'éliminer rapidement la chaleur. Bienvenue à participer à la 4e conférence internationale sur les matériaux de carbone et à l'exposition industrielle, et à discuter avec le professeur agrégé Wei Qiuping de l'Université centrale du Sud pour discuter de l'application du diamant dans le domaine de l'emballage électronique et du contrôle intelligent de la température du stockage de chaleur à changement de phase.

Dans le même temps, la conférence a également eu l'honneur d'inviter Wei Qiuping en tant que président de l'atelier pour discuter des opportunités et du développement des matériaux composites diamantés dans le domaine de la conduction et de la dissipation thermiques. LOGO OF Z-LION Xiamen ZL diamond technology Co., ltd.