Sejak tahun 1980-an, kerapatan integrasi sirkuit elektronik telah meningkat dengan laju tahunan sebesar 1,5 kali atau lebih cepat. Integrasi yang lebih tinggi menghasilkan kerapatan arus dan panas yang lebih tinggi selama pengoperasian.Jika tidak dihilangkan secara efisien, panas ini dapat menyebabkan kegagalan termal dan mengurangi umur komponen elektronik.
Untuk memenuhi tuntutan manajemen termal yang meningkat, bahan pengemasan elektronik canggih dengan konduktivitas termal superior sedang diteliti dan dioptimalkan secara ekstensif.
Bahan komposit berlian/tembaga
01 Berlian dan Tembaga
Bahan kemasan tradisional meliputi keramik, plastik, logam, dan paduannya. Keramik seperti BeO dan AlN menunjukkan CTE yang sesuai dengan semikonduktor, stabilitas kimia yang baik, dan konduktivitas termal sedang. Akan tetapi, pemrosesannya yang rumit, biaya yang tinggi (terutama BeO yang beracun), dan kerapuhannya membatasi aplikasi. Kemasan plastik menawarkan biaya yang rendah, bobot yang ringan, dan isolasi tetapi memiliki konduktivitas termal yang buruk dan ketidakstabilan suhu tinggi. Logam murni (Cu, Ag, Al) memiliki konduktivitas termal yang tinggi tetapi CTE yang berlebihan, sedangkan paduan (Cu-W, Cu-Mo) mengorbankan kinerja termal. Dengan demikian, bahan kemasan baru yang menyeimbangkan konduktivitas termal yang tinggi dan CTE yang optimal sangat dibutuhkan.
| Bantuan | Konduktivitas Termal (W/(m·K)) | CTE (×10⁻⁶/℃) | Kepadatan (g/cm³) |
| Berlian | 700–2000 | 0,9–1,7 | 3.52 |
| Partikel BeO | 300 | 4.1 | 3.01 |
| Partikel AlN | 150–250 | 2.69 | 3.26 |
| Partikel SiC | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| Partikel B₄C | 29–67 | 4.4 | 2.52 |
| Serat Boron | 40 | ~5.0 | 2.6 |
| Partikel TiC | 40 | 7.4 | 4.92 |
| Partikel Al₂O₃ | 20–40 | 4.4 | 3.98 |
| Kumis SiC | 32 | 3.4 | – |
| Partikel Si₃N₄ | 28 | 1.44 | 3.18 |
| Partikel TiB₂ | 25 | 4.6 | 4.5 |
| Partikel SiO₂ | 1.4 | <1.0 | 2.65 |
Berlian, bahan alami paling keras yang diketahui (Mohs 10), juga memiliki kekuatan luar biasakonduktivitas termal (200–2200 W/(m·K)).
Bubuk mikro berlian
Tembaga, dengan konduktivitas termal/listrik tinggi (401 W/(m·K)), keuletan, dan efisiensi biaya, digunakan secara luas dalam IC.
Menggabungkan properti ini,komposit intan/tembaga (Dia/Cu).—dengan Cu sebagai matriks dan berlian sebagai penguat—muncul sebagai bahan manajemen termal generasi berikutnya.
02 Metode Fabrikasi Utama
Metode umum untuk menyiapkan berlian/tembaga meliputi: metalurgi serbuk, metode suhu dan tekanan tinggi, metode perendaman leleh, metode sintering plasma pelepasan, metode penyemprotan dingin, dll.
Perbandingan metode, proses dan sifat preparasi komposit berlian/tembaga berukuran partikel tunggal
| Parameter | Metalurgi Serbuk | Pengepresan Panas Vakum | Sintering Plasma Percikan (SPS) | Tekanan Tinggi Suhu Tinggi (HPHT) | Deposisi Semprotan Dingin | Infiltrasi Lelehan |
| Jenis Berlian | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | PDA | MBD8/HHD |
| Matriks | Bubuk tembaga 99,8% | Bubuk Cu elektrolit 99,9% | Bubuk tembaga 99,9% | Paduan/bubuk Cu murni | Serbuk Cu murni | Cu murni curah/batang |
| Modifikasi Antarmuka | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Ukuran Partikel (μm) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Fraksi Volume (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| Suhu (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | tahun 1100–1300 | 350 | tahun 1100–1300 |
| Tekanan (MPa) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| Waktu (menit) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Kepadatan Relatif (%) | 98.5 | 99,2–99,7 | – | – | – | 99,4–99,7 |
| Pertunjukan | ||||||
| Konduktivitas Termal Optimal (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | tahun 907 | – | 943 |
Teknik komposit Dia/Cu yang umum meliputi:
(1)Metalurgi Serbuk
Campuran serbuk berlian/Cu dipadatkan dan disinter. Meskipun hemat biaya dan sederhana, metode ini menghasilkan kepadatan terbatas, struktur mikro tidak homogen, dan dimensi sampel terbatas.
Sunit interkoneksi
(1)Tekanan Tinggi Suhu Tinggi (HPHT)
Dengan menggunakan mesin pres multi-anvil, tembaga cair menyusup ke kisi-kisi berlian dalam kondisi ekstrem, menghasilkan komposit padat. Namun, HPHT memerlukan cetakan yang mahal dan tidak cocok untuk produksi skala besar.
Cpers ubic
(1)Infiltrasi Lelehan
Cu cair meresap ke dalam preform berlian melalui infiltrasi yang dibantu tekanan atau didorong oleh kapiler. Komposit yang dihasilkan mencapai konduktivitas termal >446 W/(m·K).
(2)Sintering Plasma Percikan (SPS)
Arus berdenyut dengan cepat menyinter serbuk campuran di bawah tekanan. Meskipun efisien, kinerja SPS menurun pada fraksi berlian >65 vol%.
Diagram skema sistem sintering plasma pelepasan
(5) Deposisi Semprotan Dingin
Serbuk dipercepat dan diendapkan ke substrat. Metode baru ini menghadapi tantangan dalam pengendalian penyelesaian permukaan dan validasi kinerja termal.
03 Modifikasi Antarmuka
Dalam preparasi material komposit, saling membasahi antar komponen merupakan prasyarat penting bagi proses komposit dan merupakan faktor penting yang memengaruhi struktur antarmuka dan ikatan antarmuka. Kondisi non-pembasahan pada antarmuka antara intan dan Cu menyebabkan resistansi termal antarmuka yang sangat tinggi. Oleh karena itu, sangat penting untuk melakukan penelitian modifikasi antarmuka antara keduanya melalui berbagai cara teknis. Saat ini, terdapat dua metode utama untuk memperbaiki masalah antarmuka antara intan dan matriks Cu: (1) Perlakuan modifikasi permukaan intan; (2) Perlakuan paduan pada matriks tembaga.
Diagram skema modifikasi: (a) Pelapisan langsung pada permukaan berlian; (b) Paduan matriks
(1) Modifikasi permukaan berlian
Pelapisan unsur-unsur aktif seperti Mo, Ti, W, dan Cr pada lapisan permukaan fase penguat dapat meningkatkan karakteristik antarmuka intan, sehingga meningkatkan konduktivitas termalnya. Sintering memungkinkan unsur-unsur tersebut bereaksi dengan karbon pada permukaan serbuk intan untuk membentuk lapisan transisi karbida. Hal ini mengoptimalkan kondisi pembasahan antara intan dan logam dasar, dan pelapisan tersebut dapat mencegah perubahan struktur intan pada suhu tinggi.
(2) Paduan matriks tembaga
Sebelum pemrosesan material komposit, perlakuan pra-paduan dilakukan pada tembaga metalik, yang dapat menghasilkan material komposit dengan konduktivitas termal yang relatif tinggi. Doping elemen aktif dalam matriks tembaga tidak hanya dapat secara efektif mengurangi sudut pembasahan antara intan dan tembaga, tetapi juga menghasilkan lapisan karbida yang larut dalam matriks tembaga pada antarmuka intan/Cu setelah reaksi. Dengan cara ini, sebagian besar celah yang ada pada antarmuka material dimodifikasi dan diisi, sehingga meningkatkan konduktivitas termal.
04 Kesimpulan
Bahan pengemasan konvensional tidak mampu mengelola panas dari chip canggih. Komposit Dia/Cu, dengan CTE yang dapat disetel dan konduktivitas termal yang sangat tinggi, merupakan solusi transformatif untuk elektronik generasi mendatang.
Sebagai perusahaan teknologi tinggi yang memadukan industri dan perdagangan, XKH berfokus pada penelitian, pengembangan, dan produksi komposit berlian/tembaga serta komposit matriks logam berkinerja tinggi seperti SiC/Al dan Gr/Cu, menyediakan solusi manajemen termal inovatif dengan konduktivitas termal lebih dari 900W/(m·K) untuk bidang pengemasan elektronik, modul daya, dan kedirgantaraan.
XKH'Bahan komposit laminasi berlapis tembaga berlian:
Waktu posting: 12-Mei-2025