Sejak tahun 1980-an, kepadatan integrasi sirkuit elektronik telah meningkat dengan laju tahunan 1,5 kali lipat atau lebih cepat. Integrasi yang lebih tinggi menyebabkan kepadatan arus dan pembangkitan panas yang lebih besar selama pengoperasian.Jika tidak dibuang secara efisien, panas ini dapat menyebabkan kerusakan termal dan mengurangi umur komponen elektronik.
Untuk memenuhi tuntutan manajemen termal yang terus meningkat, material kemasan elektronik canggih dengan konduktivitas termal superior sedang diteliti dan dioptimalkan secara ekstensif.
Material komposit berlian/tembaga
01 Berlian dan Tembaga
Bahan kemasan tradisional meliputi keramik, plastik, logam, dan paduan logam. Keramik seperti BeO dan AlN menunjukkan koefisien ekspansi termal (CTE) yang setara dengan semikonduktor, stabilitas kimia yang baik, dan konduktivitas termal yang moderat. Namun, proses pengolahannya yang kompleks, biaya tinggi (terutama BeO yang beracun), dan kerapuhannya membatasi aplikasinya. Kemasan plastik menawarkan biaya rendah, bobot ringan, dan isolasi, tetapi memiliki konduktivitas termal yang buruk dan ketidakstabilan pada 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. Oleh karena itu, bahan kemasan baru yang menyeimbangkan konduktivitas termal tinggi dan CTE 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 terkeras yang diketahui (Mohs 10), juga memiliki sifat yang luar biasa.konduktivitas termal (200–2200 W/(m·K)).
Bubuk mikro berlian
Tembaga, dengan konduktivitas termal/listrik tinggi (401 W/(m·K)), daktilitas, dan efisiensi biaya, banyak digunakan dalam IC.
Dengan menggabungkan sifat-sifat ini,komposit intan/tembaga (Dia/Cu).—dengan Cu sebagai matriks dan intan sebagai penguat—muncul sebagai material manajemen termal generasi berikutnya.
02 Metode Fabrikasi Utama
Metode umum untuk pembuatan intan/tembaga meliputi: metalurgi serbuk, metode suhu tinggi dan tekanan tinggi, metode perendaman leburan, metode sintering plasma lucutan, metode penyemprotan dingin, dll.
Perbandingan berbagai metode persiapan, proses, dan sifat komposit intan/tembaga berukuran partikel tunggal
| Parameter | Metalurgi Serbuk | Pengepresan Panas Vakum | Sintering Plasma Percikan (SPS) | Tekanan Tinggi Suhu Tinggi (HPHT) | Deposisi Semprot Dingin | Infiltrasi Lelehan |
| Jenis Berlian | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | PDA | MBD8/HHD |
| Matriks | Bubuk Cu 99,8% | Bubuk Cu elektrolitik 99,9% | Bubuk Cu 99,9% | Serbuk paduan/Cu murni | Bubuk Cu murni | Tembaga murni dalam bentuk batangan/bulk |
| 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 | 907 | – | 943 |
Teknik komposit Dia/Cu yang umum meliputi:
(1)Metalurgi Serbuk
Serbuk campuran intan/Cu dipadatkan dan disinter. Meskipun hemat biaya dan sederhana, metode ini menghasilkan kepadatan yang terbatas, struktur mikro yang tidak homogen, dan dimensi sampel yang terbatas.
Sunit intering
(1)Tekanan Tinggi Suhu Tinggi (HPHT)
Dengan menggunakan mesin pres multi-anvil, tembaga cair meresap ke dalam kisi-kisi intan di bawah kondisi ekstrem, menghasilkan komposit padat. Namun, HPHT (High Pressure High Temperature) membutuhkan cetakan yang mahal dan tidak cocok untuk produksi skala besar.
Cpers ubic
(1)Infiltrasi Lelehan
Tembaga cair meresap ke dalam cetakan intan 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 pulsa dengan cepat menyinter bubuk campuran di bawah tekanan. Meskipun efisien, kinerja SPS menurun pada fraksi intan >65 vol%.
Diagram skematik sistem sintering plasma lucutan
(5) Deposisi Semprot Dingin
Serbuk dipercepat dan diendapkan ke substrat. Metode yang masih baru ini menghadapi tantangan dalam pengendalian hasil akhir permukaan dan validasi kinerja termal.
03 Modifikasi Antarmuka
Untuk pembuatan material komposit, pembasahan timbal balik antar komponen merupakan prasyarat penting untuk proses komposit dan faktor penting yang memengaruhi struktur antarmuka dan keadaan ikatan antarmuka. Kondisi tidak basah pada antarmuka antara intan dan Cu menyebabkan resistansi termal antarmuka yang sangat tinggi. Oleh karena itu, sangat penting untuk melakukan penelitian modifikasi pada antarmuka antara keduanya melalui berbagai cara teknis. Saat ini, terdapat dua metode utama untuk memperbaiki masalah antarmuka antara matriks intan dan Cu: (1) Perlakuan modifikasi permukaan intan; (2) Perlakuan paduan matriks tembaga.
Diagram skematis modifikasi: (a) Pelapisan langsung pada permukaan berlian; (b) Paduan matriks
(1) Modifikasi permukaan berlian
Pelapisan elemen aktif seperti Mo, Ti, W, dan Cr pada lapisan permukaan fase penguat dapat meningkatkan karakteristik antarmuka intan, sehingga meningkatkan konduktivitas termalnya. Proses sintering memungkinkan elemen-elemen tersebut bereaksi dengan karbon pada permukaan serbuk intan untuk membentuk lapisan transisi karbida. Hal ini mengoptimalkan kondisi pembasahan antara intan dan dasar logam, dan lapisan tersebut dapat mencegah perubahan struktur intan pada suhu tinggi.
(2) Paduan matriks tembaga
Sebelum pemrosesan komposit material, perlakuan pra-paduan dilakukan pada tembaga logam, yang dapat menghasilkan material komposit dengan konduktivitas termal yang umumnya tinggi. Penambahan unsur aktif ke dalam matriks tembaga tidak hanya dapat secara efektif mengurangi sudut pembasahan antara intan dan tembaga, tetapi juga menghasilkan lapisan karbida yang larut padat 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
Material kemasan konvensional kurang memadai dalam mengelola panas dari chip canggih. Komposit Dia/Cu, dengan CTE yang dapat disesuaikan dan konduktivitas termal ultra tinggi, mewakili solusi transformatif untuk elektronik generasi berikutnya.
Sebagai perusahaan teknologi tinggi yang mengintegrasikan industri dan perdagangan, XKH berfokus pada penelitian dan pengembangan serta produksi komposit berlian/tembaga dan 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