Czy w erze 5G kompozyty diament/metal mogą uratować przegrzane urządzenia półprzewodnikowe?

Wraz z szybkim rozwojem technologii elektronicznej, technologia komunikacyjna stopniowo wkroczyła w erę 5G. Podczas gdy materiały półprzewodnikowe są stale aktualizowane, układy scalone również zmierzają w kierunku dużej skali, wysokiej integracji i dużej mocy. Zastosowanie materiałów półprzewodnikowych o szerokiej przerwie wzbronionej, reprezentowanych przez SiC i GaN, doprowadziło do szybkiego rozwoju tranzystorów bipolarnych z izolowaną bramką (IGBT), co otwiera nową sytuację dla nowej generacji technologii informacyjnej.

Wysoka moc i wysoka gęstość prądu to trend rozwojowy chipów IGBT, który nieuchronnie spowoduje przegrzanie elementów elektronicznych. Z danych badawczych wynika, że ​​gdy temperatura powierzchni chipa osiąga 70-80°C, niezawodność chipa spada o 5% na każdy wzrost temperatury o 1°C. Ponad 55% trybów awaryjnych urządzeń elektronicznych jest spowodowanych nadmierną temperaturą. Aby rozwiązać problem rozpraszania ciepła, oprócz przyjęcia bardziej wydajnej technologii chłodzenia, należy pilnie opracować nowe lekkie materiały na opakowania elektroniczne o przewodności cieplnej powyżej 400 W/(m·K) i współczynniku rozszerzalności odpowiadającym materiałowi półprzewodnikowemu. Jako nowy rodzaj elektronicznego materiału opakowaniowego, diamentowo-metalowe materiały kompozytowe stopniowo przesunęły się na środek sceny po ponad dziesięciu latach badań i rozwoju i są bardzo oczekiwane.

Diament ma doskonałe parametry, takie jak duża zabroniona szerokość pasma, wysoka twardość i przewodność cieplna, wysoka prędkość dryfu nasycenia elektronami, odporność na wysoką temperaturę, odporność na korozję i odporność na promieniowanie. Znajduje zastosowanie w wysokonapięciowej i wysokowydajnej energoelektronice, mikroelektronice wysokiej częstotliwości i dużej mocy, optoelektronice głębokiego ultrafioletu i innych dziedzinach, które mają niezwykle ważne perspektywy zastosowań. Diament posiada najwyższą przewodność cieplną (2200W/(m·K)) spośród obecnie znanych substancji naturalnych, która jest 4 razy większa niż węglik krzemu (SiC), 13 razy większa niż krzem (Si) i większa niż arsenek galu (GaAs ) Jest 43 razy większy, czyli od 4 do 5 razy większy od miedzi i srebra. Obecnie obiecujące są materiały kompozytowe typu diament/metal rozpraszające ciepło.

Diament jest kryształem sześciennym, utworzonym przez kowalencyjne wiązanie atomów węgla. Wiele ekstremalnych właściwości diamentu wynika bezpośrednio z siły wiązania kowalencyjnego sp³, które tworzy sztywną strukturę i niewielką liczbę atomów węgla. Metal przewodzi ciepło przez swobodne elektrony, a jego wysoka przewodność cieplna wiąże się z wysoką przewodnością elektryczną. W przeciwieństwie do tego, przewodzenie ciepła w diamencie jest osiągane tylko przez drgania sieci (tj. fonony). Niezwykle silne wiązania kowalencyjne między atomami diamentu sprawiają, że sztywna sieć krystaliczna ma wysoką częstotliwość wibracji, dzięki czemu jej charakterystyczna temperatura Debye'a wynosi aż 2220K. Ponieważ większość zastosowań jest znacznie niższa niż temperatura Debye'a, rozpraszanie fononów jest małe, więc rezystancja przewodzenia ciepła z fononem jako medium jest bardzo mała. Jednak każda defekt sieci spowoduje rozpraszanie fononów, zmniejszając w ten sposób przewodność cieplną, która jest nieodłączną cechą wszystkich materiałów krystalicznych.

Przewodność cieplna materiałów kompozytowych diament / miedź jest głównie ograniczona przez projekt i proces przygotowania powierzchni styku materiału kompozytowego, w szczególności wewnętrzną przewodność cieplną osnowy miedzi, diamentu, ułamek objętościowy diamentu, wielkość cząstek i poprawę interfejs między nimi jest również szczególnie ważny. Zasadniczo jako fazę wzmacniającą materiału kompozytowego stosuje się diament o pełnej postaci krystalicznej, o niskiej zawartości azotu, o rozmiarze 100-500 μm, aby zapobiec przekształceniu powierzchni w fazę grafitopodobną, zwiększyć udział objętościowy diamentu w kompozycie materiał i pomóc uzyskać wysokiej jakości materiał kompozytowy diament/miedź.

W obliczu komponentów półprzewodnikowych o coraz większej gęstości mocy, warto oczekiwać, czy materiały kompozytowe diament/metal mogą osiągnąć szybkie rozpraszanie ciepła.