5Gの時代に、ダイヤモンド/金属複合材料は過熱した半導体デバイスを救助しますか？

2021-08-16 13:52:22 68

5Gの時代に、ダイヤモンド/金属複合材料は過熱した半導体デバイスを救うことができますか？

キーワードダイヤモンド材料、5G | 2019-10-22 10：05：49 |ソース中国超硬材料ネット

電子技術の急速な発展に伴い、通信技術は徐々に5Gの時代に入りました。半導体材料は絶えず更新されていますが、集積回路も大規模、高集積、高出力の方向に進んでいます。 SiCやGaNに代表されるワイドバンドギャップ半導体材料の応用は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）の急速な発展につながり、新世代の情報技術を切り開いています。

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高電力と高電流密度はIGBTチップの開発動向であり、必然的に電子部品の過熱を引き起こします。研究データによると、チップの表面温度が70〜80°Cに達すると、チップの信頼性は温度が1°C上昇するごとに5％低下し、55％を超える電子機器の故障モードは過度の温度が原因であることが示されています。熱放散の問題を解決するには、より効率的な冷却技術を使用することに加えて、熱伝導率が400W /（m・K）を超え、膨張係数が半導体材料と一致する新しい軽量電子パッケージ材料を開発することが非常に急務です。新しいクラスの電子パッケージ材料として、ダイヤモンド/金属複合材料は、10年以上の研究開発を経て、徐々にステージの中心になりました。

ダイヤモンドの主な特性

ダイヤモンドは、高電圧および高効率のパワーエレクトロニクス、高周波および高出力のマイクロエレクトロニクス、深紫外線において、優れた禁止帯域幅、高い硬度および熱伝導率、高い電子飽和ドリフト速度、高温耐性、耐食性、耐放射線性などを備えています。オプトエレクトロニクスおよびその他の分野には、非常に重要なアプリケーションの見通しがあります。ダイヤモンドは、既知の天然材料の中で最も高い熱伝導率（2200W /（m・K））を持ち、炭化ケイ素（SiC）の4倍、シリコン（Si）の13倍、ヒ素（GaAs）の13倍です。銅や銀の43倍、4〜5倍。現在、ダイヤモンド/金属の熱放散複合材料には多くの可能性があります。

ダイヤモンドの熱伝導原理

ダイヤモンドは、炭素原子の共有結合によって形成される立方晶です。ダイヤモンドの究極の特性の多くは、sp3共有結合強度と剛直な構造を形成する少量の炭素原子の直接的な結果です。金属は自由電子を介して熱を伝導し、その高い熱伝導率は高い電気伝導率と関連しています。対照的に、ダイヤモンドの熱伝導は格子振動（つまりフォノン）によってのみ行われます。ダイヤモンド原子間の強い共有結合により、剛体格子の振動数が高くなるため、デバイ特性温度は2220Kと高くなります。ほとんどのアプリケーションはデバイ温度よりもはるかに低く、フォノン散乱が小さいため、フォノンを介した熱伝達抵抗は非常に小さくなります。ただし、格子欠陥があるとフォノン散乱が発生し、熱伝導率が低下します。これは、すべての結晶材料に固有の特徴です。

電子パッケージ材料の紹介

電子パッケージ材料は、マイクロエレクトロニクス産業向けの熱膨張係数が低く、熱伝導率が高いパッケージ材料です。それらは、半導体デバイス、集積回路、自動車、軍事、航空宇宙などのさまざまなパッケージング分野で広く使用されています。その目的は、ほこり、湿気、衝撃、振動、化学物質などの外部干渉から電子部品を保護することです。デバイスをサポートし、電子コンポーネントによって生成された熱を引き出して、電子デバイスが適切に動作するための安定した環境を提供できます。したがって、電子パッケージ材料として、以下の要件があります。

（1）良好な気密性：電子デバイスに外部干渉がなく、半導体材料に良好な作業環境を提供することを保証します。
（2）高い熱伝導率：新しい電子部品の熱放散には、新しい時代の電子パッケージ材料がそれらの熱放散のニーズを満たすために超高い熱伝導率を持っていることが必要です。

（3）半導体材料に一致する熱膨張係数（CTE）。

（4）高い強度と剛性：電子部品に優れた機械的サポートと保護を提供できます。

（5）優れた加工性能と溶接性能：さまざまな複雑な形状に加工でき、パッケージングが容易です。

（6）低密度：新しい電子機器の軽量化のニーズを満たし、航空宇宙およびその他の分野での使用を可能にします。

（7）信頼性の高い性能と低コスト：電子パッケージ材料の適用範囲を拡大し、広く文明化することができます。

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表1：チップと一般的な電子パッケージ材料の性能パラメータ

表2：一般的な電子パッケージ材料の長所と短所の比較

全体として、第4のタイプの包装材料として、金属マトリックス複合材料は高いと予想されます。現在、ダイヤモンド/ Cu複合材料とダイヤモンド/ Al複合材料が研究の焦点でありホットスポットです。ダイヤモンド/ Cu複合材料を例にとると、銅マトリックスとダイヤモンド粒子のサイズと結晶形を決定した後、適切な準備プロセスを選択することは、複合材料が優れた熱特性と理想的な界面構造をうまく得ることができるかどうかを決定する重要な要素です。

準備

ダイヤモンド・銅複合材料の作製方法は、主に高温高圧法、ホットプレス焼結法（粉末冶金法）、放電プラズマ焼結法、押出鋳造法、スプレー蒸着法などである。以下は、さまざまな方法の簡単な紹介です。

高温高圧法：超硬材料の作製・合成に一般的に使用されており、形状が単純で規則性のあるサンプルしか作製できず、作製条件が厳しいためコストが高くなります。

ホットプレス焼結法：この方法は、粉末冶金に基づいて開発されました。ダイヤモンド粒子と金属粉末は均一に混合され、事前に設計された金型に入れられ、適切な真空条件下で加熱、加圧、および圧力保持が行われます。複合材料は、冷却、離型などで得ることができます。ホットプレス焼結法では、各成分の含有量を調整することで特性を調整できる複合材料を調製できますが、原材料の要件が高い、相が向上するなどの欠点もあります。体積分率が55％を超えることは容易ではありません。そうしないと、複合材料を緻密にすることが困難になります。

放電プラズマ焼結法：上下のダイパンチと通電電極によって生成されたプラズマを使用して粉末間にプラズマ放電を形成し、放電活性化、熱可塑性変形、および冷却を行うことにより、複合材料を迅速に形成する新しいタイプの粉末冶金技術。低電圧、高電流のため、粉末は短時間で焼結され、緻密化されます。スパークプラズマ焼結法は、加熱速度が速く、プロセスが簡単で、焼結時間が短いが、放電プラズマ焼結もダイヤモンドの体積分率によって制限されるため、超高熱伝導率を達成することは困難であり、ダイヤモンドの体積をさらに増やします。スコアは焼結されていません。

スクイーズキャスティング法：原理は、半固体または液体金属を充填し、圧力下で冷却し、最終的に固化する技術を指します。ダイヤモンド/銅複合材料を押出鋳造で製造する場合、ダイヤモンド粒子を金型キャビティに入れて振とうする必要があります。次に、溶融金属（元素または合金）液を注入して圧力をかけます。複合材料の製造方法は、金型の形状を設計する必要があり、注がれた金属液の融点が高すぎないため、この方法は主にダイヤモンド/アルミニウム複合材料の製造に使用されます。

スプレー蒸着法：2種類の混合粉末を炉に入れ、金属溶融、液体金属噴霧処理、基板プレートへのスプレー蒸着を行います。実用新案には、複合材料の混合、噴霧、堆積を1つのステップで完了でき、凝固を迅速に凝固させ、凝固分離と金属溶融物中の強化粒子相の分離を解決できるという利点があります。、および複合材料も、冷却速度が速いために解決されます。真ん中の部品間で過度の界面反応が起こり、概略図は次のようになります。 Diamond Tools manufacture
スプレー蒸着による複合材料調製の概略図

浸透法：この方法は、強化体よりも融点が低い金属または合金を使用して、多孔質強化プリフォーム８を溶融状態で充填するプロセスである。気孔率はマトリックス充填物の体積分率であり、浸透は圧力のない浸透に分けることができます。圧力による浸透。無加圧浸透法は、一般に、濡れ角が90°未満（良好な濡れ性）の2つの材料を準備します。これは、主にプリフォーム内部の細孔に依存して、金属溶融物に毛細管力を発生させ、金属溶融物を内部に吸引します。圧力浸透は金属の融点より高い温度であり、金属溶融物は機械的圧力または不活性ガス圧力を加えることによってプリフォームのギャップに浸透する。圧力のない浸透と比較して、圧力浸透の準備に必要な時間が短く、得られた複合材料はよりコンパクトであり、研究者に好まれています。

ダイヤモンド/銅複合材料の熱伝導率は、主に複合材料の界面の設計と準備プロセス、具体的には銅マトリックス、ダイヤモンドの固有の熱伝導率、ダイヤモンドの体積分率、粒子サイズ、および 2。それも非常に重要です。一般に、結晶形は完全で、窒素含有量は低く、100〜500 umのダイヤモンドは、表面がグラファイトのような相に変化するのを防ぐための複合材料の強化相として使用され、体積分率は複合材料中のダイヤモンドの強度が向上し、高品質のダイヤモンド/銅複合材料を得るのに役立ちます。

ますます増大する電力密度の半導体コンポーネントに直面して、ダイヤモンド/金属複合材料が迅速な熱除去を達成することを期待することは価値があります。第4回国際炭素材料会議および産業展示会に参加することを歓迎し、中南大学のWei Qiuping准教授と、電子パッケージングおよび相変化蓄熱インテリジェント温度制御の分野でのダイヤモンドの応用について話し合います。

同時に、この会議では、Wei Qiupingをワークショップの議長として招待し、熱伝導と熱放散の分野におけるダイヤモンド複合材料の機会と開発について話し合うことができました。

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