Môžu diamantové/kovové kompozity v ére 5G zachrániť prehriate polovodičové zariadenia?

S rýchlym rozvojom elektronických technológií sa komunikačné technológie postupne dostali do éry 5G. Zatiaľ čo sa polovodičové materiály neustále aktualizujú, integrované obvody sa tiež uberajú smerom k veľkému rozsahu, vysokej integrácii a vysokému výkonu. Aplikácia širokopásmových polovodičových materiálov reprezentovaných SiC a GaN viedla k rýchlemu vývoju bipolárnych tranzistorov s izolovanou bránou (IGBT), čo otvára novú situáciu pre novú generáciu informačných technológií.

Vysoký výkon a vysoká prúdová hustota sú vývojovým trendom IGBT čipov, ktoré nevyhnutne spôsobia prehrievanie elektronických komponentov. Výskumné údaje ukazujú, že keď povrchová teplota čipu dosiahne 70-80 °C, spoľahlivosť čipu sa zníži o 5 % pri každom zvýšení teploty o 1 °C. Viac ako 55 % poruchových režimov elektronických zariadení je spôsobených nadmernou teplotou. Na vyriešenie problému rozptylu tepla je okrem prijatia efektívnejšej technológie chladenia nevyhnutné vyvinúť nové ľahké elektronické obalové materiály s tepelnou vodivosťou vyššou ako 400 W/(m·K) a koeficientom rozťažnosti zodpovedajúcim polovodičovému materiálu. Ako nový typ elektronického obalového materiálu sa diamantovo-kovové kompozitné materiály po viac ako desiatich rokoch výskumu a vývoja postupne dostali do centra záujmu a sú veľmi očakávané.

Diamant má vynikajúci výkon, ako je veľká zakázaná šírka pásma, vysoká tvrdosť a tepelná vodivosť, vysoká rýchlosť driftu saturácie elektrónov, odolnosť voči vysokej teplote, odolnosť proti korózii a odolnosť voči žiareniu. Používa sa vo vysokonapäťovej a vysokoúčinnej výkonovej elektronike, vysokofrekvenčnej a vysokovýkonnej mikroelektronike, hlbokej ultrafialovej optoelektronike a ďalších oblastiach majú mimoriadne dôležité aplikačné vyhliadky. Diamant má najvyššiu tepelnú vodivosť (2200W/(m·K)) spomedzi v súčasnosti známych prírodných látok, ktorá je 4-krát väčšia ako karbid kremíka (SiC), 13-krát väčšia ako kremík (Si) a väčšia ako arzenid gália (GaAs). ) Je 43-krát väčší, čo je 4 až 5-krát viac ako meď a striebro. V súčasnosti sú perspektívne kompozitné materiály odvádzajúce teplo diamant/kov.

Diamant je kubický kryštál, ktorý vzniká kovalentnou väzbou atómov uhlíka. Mnohé z extrémnych vlastností diamantu sú priamym výsledkom sily kovalentnej väzby sp³, ktorá tvorí tuhú štruktúru a malý počet atómov uhlíka. Kov vedie teplo cez voľné elektróny a jeho vysoká tepelná vodivosť je spojená s vysokou elektrickou vodivosťou. Na rozdiel od toho, vedenie tepla v diamante sa dosahuje iba vibráciami mriežky (tj fonónov). Extrémne silné kovalentné väzby medzi atómami diamantu spôsobujú, že tuhá kryštálová mriežka má vysokú frekvenciu vibrácií, takže jej charakteristická teplota Debye je až 2220 K. Pretože väčšina aplikácií je oveľa nižšia ako teplota Debye, rozptyl fonónu je malý, takže odpor vedenia tepla s fonónom ako médiom je extrémne malý. Ale akýkoľvek defekt mriežky spôsobí fonónový rozptyl, čím sa zníži tepelná vodivosť, ktorá je prirodzenou vlastnosťou všetkých kryštálových materiálov.

Tepelná vodivosť diamantových/medených kompozitných materiálov je obmedzená hlavne dizajnom a procesom prípravy rozhrania kompozitného materiálu, konkrétne vlastnou tepelnou vodivosťou medenej matrice, diamantu, objemovým podielom diamantu, veľkosťou častíc a zlepšením rozhranie medzi nimi Je tiež obzvlášť dôležité. Vo všeobecnosti sa diamant s úplnou kryštálovou formou, nízkym obsahom dusíka, veľkosťou 100-500 um používa ako vystužujúca fáza kompozitného materiálu, aby sa zabránilo premene povrchu na fázu podobnú grafitu, aby sa zvýšil objemový podiel diamantu v kompozite. materiál a pomáhajú získať vysokokvalitný kompozitný materiál diamant/meď.

Zoči-voči polovodičovým súčiastkam s neustále sa zvyšujúcou hustotou výkonu sa oplatí tešiť na to, či diamantové/kovové kompozitné materiály dokážu dosiahnuť rýchly odvod tepla.