Εφαρμογή Διαμαντιού σε Νέα Ηλεκτρονικά Υποστρώματα Συσκευασίας

Η σύγχρονη τεχνολογία μικροηλεκτρονικής αναπτύσσεται γρήγορα και τα ηλεκτρονικά συστήματα και ο εξοπλισμός αναπτύσσονται προς την κατεύθυνση της ολοκλήρωσης μεγάλης κλίμακας, της μικρογραφίας, της υψηλής απόδοσης και της υψηλής αξιοπιστίας. Η αύξηση της ενοποίησης των ηλεκτρονικών συστημάτων θα οδηγήσει σε αυξημένη πυκνότητα ισχύος, καθώς και σε αυξημένη θερμότητα που παράγεται από ηλεκτρονικά εξαρτήματα και στη συνολική λειτουργία του συστήματος. Επομένως, η αποτελεσματική συσκευασία πρέπει να λύσει το πρόβλημα της απαγωγής θερμότητας των ηλεκτρονικών συστημάτων.

Η καλή απαγωγή θερμότητας της συσκευής εξαρτάται από τον βελτιστοποιημένο σχεδιασμό της δομής απαγωγής θερμότητας, την επιλογή υλικού συσκευασίας (υλικό θερμικής διεπαφής και υπόστρωμα απαγωγής θερμότητας) και τη διαδικασία κατασκευής συσκευασίας. Μεταξύ αυτών, η επιλογή του υλικού του υποστρώματος αποτελεί βασικό κρίκο, που επηρεάζει άμεσα το κόστος, την απόδοση και την αξιοπιστία της συσκευής. Σε γενικές γραμμές, η εφαρμογή ηλεκτρονικών υλικών συσκευασίας πρέπει να λαμβάνει υπόψη δύο βασικές απαιτήσεις απόδοσης. Το πρώτο είναι η υψηλή θερμική αγωγιμότητα για την επίτευξη ταχείας μεταφοράς θερμότητας και τη διασφάλιση ότι το τσιπ μπορεί να λειτουργεί σταθερά κάτω από ιδανικές συνθήκες θερμοκρασίας. Ταυτόχρονα, το υλικό συσκευασίας πρέπει να είναι αξιόπιστο. Ρυθμιζόμενος συντελεστής θερμικής διαστολής, έτσι ώστε να διατηρείται το ταίριασμα με το τσιπ και όλα τα επίπεδα των υλικών συσκευασίας και να μειώνονται οι δυσμενείς επιπτώσεις της θερμικής καταπόνησης. Ο δρόμος ανάπτυξης των ηλεκτρονικών υλικών συσκευασίας είναι η συνεχής βελτίωση και βελτιστοποίηση αυτών των δύο ιδιοτήτων.

 

Φυσικά, τα νέα υλικά υποστρώματος συσκευασίας πρέπει να λάβουν υπόψη και άλλες ιδιότητες, όπως υψηλή ειδική αντίσταση, χαμηλή διηλεκτρική σταθερά, διηλεκτρική απώλεια, καλή θερμική αντιστοίχιση με το πυρίτιο και αρσενίδιο του γαλλίου, υψηλή επιπεδότητα επιφάνειας, καλές μηχανικές ιδιότητες και ευκολία βιομηχανικής παραγωγής και άλλα χαρακτηριστικά , επομένως η επιλογή νέων υλικών υποστρώματος συσκευασίας είναι ένα hot spot για έρευνα και ανάπτυξη σε διάφορες χώρες. Επί του παρόντος, πολλά υποστρώματα συσκευασίας που χρησιμοποιούνται συνήθως περιλαμβάνουν κεραμικά Al2O3, κεραμικά SiC, AlN και άλλα υλικά.

 

Ήδη από το 1929, η γερμανική εταιρεία Siemens ανέπτυξε με επιτυχία κεραμικά Al2O3, αλλά ο συντελεστής θερμικής διαστολής και η διηλεκτρική σταθερά του Al2O3 είναι υψηλότερες από εκείνες των μονοκρυστάλλων Si και η θερμική αγωγιμότητα δεν είναι αρκετά υψηλή, επομένως τα κεραμικά υποστρώματα Al2O3 δεν είναι κατάλληλα για υψηλή συχνότητα, μεγάλη Ισχύς, που χρησιμοποιείται σε VLSI.

 

Κατόπιν αυτού, τα κεραμικά υλικά υψηλής θερμικής αγωγιμότητας SiC, AlN, SI3N4 και διαμάντι εισήλθαν σταδιακά στην αγορά.

Η θερμική αγωγιμότητα των κεραμικών SiC είναι πολύ υψηλή και όσο υψηλότερη είναι η καθαρότητα της κρυστάλλωσης SiC, τόσο μεγαλύτερη είναι η θερμική αγωγιμότητα. Το μεγαλύτερο μειονέκτημα του SiC είναι ότι η διηλεκτρική σταθερά είναι πολύ υψηλή και η διηλεκτρική αντοχή είναι χαμηλή, επομένως περιορίζει τις εφαρμογές του σε υψηλές συχνότητες και είναι κατάλληλο μόνο για συσκευασία χαμηλής πυκνότητας.

 

Το υλικό AlN έχει εξαιρετικές διηλεκτρικές ιδιότητες και σταθερές χημικές ιδιότητες, ειδικά ο συντελεστής θερμικής διαστολής του ταιριάζει με αυτόν του πυριτίου, ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως υλικό υποστρώματος συσκευασίας ημιαγωγών με μεγάλες προοπτικές ανάπτυξης. Ωστόσο, η θερμική αγωγιμότητα είναι χαμηλή και καθώς οι συσκευασίες ημιαγωγών έχουν όλο και μεγαλύτερες απαιτήσεις για απαγωγή θερμότητας, τα υλικά AlN έχουν επίσης ένα συγκεκριμένο εμπόδιο ανάπτυξης.

 

Στο τέλος ξεχώρισε το διαμάντι. Το διαμάντι έχει πολύ καλές περιεκτικές θερμοφυσικές ιδιότητες. Η θερμική του αγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου είναι {{0}}W/(m·K) και ο συντελεστής θερμικής διαστολής του είναι 0,8×10-6/K. Έχει μεγάλες δυνατότητες σε ημιαγωγούς, οπτικά κ.λπ. Πολλές εξαιρετικές ιδιότητες, αλλά ένα μόνο διαμάντι δεν είναι εύκολο να γίνει υλικά συσκευασίας και το κόστος είναι υψηλό.

 

Σύμφωνα με τον κανόνα ανάμιξης, το σύνθετο υλικό μήτρας διαμαντιού/μετάλλου που παρασκευάζεται με την προσθήκη σωματιδίων διαμαντιού σε Ag, Cu, Al και άλλη μεταλλική μήτρα υψηλής θερμικής αγωγιμότητας αναμένεται να γίνει ένας νέος τύπος ηλεκτρονικού υλικού συσκευασίας με χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής και υψηλή θερμική αγώγιμο. Με βάση την εξαιρετική ηλεκτρική αγωγιμότητα και την υψηλή θερμική αγωγιμότητα του χαλκού, αναπτύχθηκε ένα σύνθετο υλικό διαμαντιού/χαλκού ως υλικό υποστρώματος για ηλεκτρονικές συσκευασίες και επιβεβαιώθηκε ότι το σύνθετο υλικό διαμαντιού/χαλκού έχει καλή επιμετάλλωση και συγκόλληση, το οποίο πληροί την Ηλεκτρονική Τα υλικά υποστρώματος συσκευασίας απαιτούν χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής και υψηλή θερμική αγωγιμότητα και σε σύγκριση με τα κράματα Mo/Cu, έχουν χαμηλότερη πυκνότητα και μικρότερο βάρος.

 

Ως εκ τούτου, σύνθετα υλικά διαμαντιού/χαλκού με διαμάντι ως ενισχυτική φάση και χαλκό ως υλικό μήτρας Τα υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για συσκευασία τσιπ, τα οποία μπορούν να βελτιώσουν την απόδοση των συστημάτων ηλεκτρονικού εξοπλισμού και να συμβάλουν στη μείωση του βάρους του εξοπλισμού.

Με τη συνεχή βελτίωση των τεχνικών προβλημάτων σε υλικά, συσκευές κ.λπ., το διαμάντι έχει γίνει υλικό υποστρώματος με υψηλή θερμική αγωγιμότητα και καλή απαγωγή θερμότητας. Έχει ευρείες προοπτικές εφαρμογής σε περιβάλλοντα υψηλότερης θερμοκρασίας. Το καλύτερο υλικό ημιαγωγών για συσκευές πυκνότητας ισχύος, το τεράστιο δυναμικό του προσελκύει όλο και περισσότερους ερευνητές να αφοσιωθούν σε αυτό. Το δυναμικό του διαμαντιού θα αναπτυχθεί σταδιακά για να καλύψει τις ανάγκες της μελλοντικής βιομηχανίας ημιαγωγών και να καταλάβει μια θέση στα ηλεκτρονικά υλικά συσκευασίας ημιαγωγών.