Az 5G-korszakban a gyémánt/fém kompozitok megmenthetik a túlhevült félvezető eszközöket?
Az elektronikus technológia gyors fejlődésével a kommunikációs technológia fokozatosan belépett az 5G korszakába. Miközben a félvezető anyagok folyamatosan frissülnek, az integrált áramkörök is a nagy léptékű, nagy integrációjú és nagy teljesítményűek irányába mozdulnak el. A SiC és GaN által képviselt szélessávú félvezető anyagok alkalmazása az insulated gate bipoláris tranzisztorok (IGBT) gyors fejlődéséhez vezetett, ami új helyzetet nyit az információs technológia új generációja előtt.
A nagy teljesítmény és a nagy áramsűrűség az IGBT chipek fejlesztési trendje, amely elkerülhetetlenül az elektronikus alkatrészek túlmelegedését okozza. A kutatási adatok azt mutatják, hogy amikor a forgács felületi hőmérséklete eléri a 70-80°C-ot, a forgács megbízhatósága 5%-kal csökken minden 1°C-os hőmérséklet-emelkedés esetén. Az elektronikus eszközök meghibásodásának több mint 55%-át a túl magas hőmérséklet okozza. A hőelvezetési probléma megoldása érdekében a hatékonyabb hűtési technológia alkalmazása mellett sürgős új, könnyű, 400 W/(m·K)-nál nagyobb hővezető képességű és a félvezető anyaghoz illeszkedő tágulási együtthatójú elektronikus csomagolóanyagok kifejlesztése. Az elektronikus csomagolóanyagok új típusaként a gyémánt/fém kompozit anyagok több mint tíz évnyi kutatás és fejlesztés után fokozatosan a színpad középpontjába kerültek, és nagyon várják őket.
A gyémánt kiváló teljesítménnyel rendelkezik, például nagy tiltott sávszélességgel, nagy keménységgel és hővezető képességgel, nagy elektrontelítési sodródási sebességgel, magas hőmérséklet-ellenállással, korrózióállósággal és sugárzásállósággal rendelkezik. A nagyfeszültségű és nagy hatásfokú teljesítményelektronikában, a nagyfrekvenciás és nagyteljesítményű mikroelektronikában, a mély ultraibolya optoelektronikában és más területeken használják rendkívül fontos alkalmazási kilátásokkal. A jelenleg ismert természetes anyagok közül a gyémánt a legmagasabb hővezető képességgel (2200W/(m·K)), amely 4-szer nagyobb, mint a szilícium-karbid (SiC), 13-szor nagyobb a szilíciumnál (Si), és nagyobb, mint a gallium-arzenid (GaAs). ) 43-szor nagyobb, ami 4-5-szöröse a réznek és az ezüstnek. Jelenleg a gyémánt/fém hőleadó kompozit anyagok ígéretesek.
A gyémánt egy köbös kristály, amely szénatomok kovalens kötésével jön létre. A gyémánt szélsőséges tulajdonságai közül sok az sp³ kovalens kötés erősségének a közvetlen eredménye, amely merev szerkezetet és kis számú szénatomot alkot. A fém szabad elektronokon keresztül vezeti a hőt, és nagy hővezető képessége nagy elektromos vezetőképességgel jár. Ezzel szemben a gyémántban a hővezetés csak rácsrezgésekkel (azaz fononokkal) valósul meg. A gyémántatomok közötti rendkívül erős kovalens kötések a merev kristályrácsot magas rezgési frekvenciájúvá teszik, így Debye karakterisztikus hőmérséklete eléri a 2220 K-t. Mivel a legtöbb alkalmazás sokkal alacsonyabb, mint a Debye-hőmérséklet, a fononszórás kicsi, így a hővezetési ellenállás a fononnal mint közeggel rendkívül kicsi. De bármilyen rácshiba fononszórást idéz elő, ezáltal csökkenti a hővezető képességet, ami minden kristályanyag velejárója.
A gyémánt/réz kompozit anyagok hővezető képességét főként a kompozit anyag határfelületének tervezése és előkészítési folyamata korlátozza, különösen a rézmátrix, a gyémánt belső hővezető képessége, a gyémánt térfogati hányada, a részecskeméret és a interfész a kettő között Az is különösen fontos. Általában komplett kristályformájú, alacsony nitrogéntartalmú, 100-500 um méretű gyémántot használnak a kompozit anyag erősítő fázisaként, hogy megakadályozzák a felület grafitszerű fázissá alakulását, növeljék a gyémánt térfogati hányadát a kompozitban. anyagból, és segít a kiváló minőségű gyémánt/réz kompozit anyag beszerzésében.
Az egyre növekvő teljesítménysűrűségű félvezető alkatrészekkel szemben érdemes előre nézni, hogy a gyémánt/fém kompozit anyagok képesek-e gyors hőleadást elérni.
