Mohou v éře 5G diamantové/kovové kompozity zachránit přehřátá polovodičová zařízení?

S rychlým rozvojem elektronických technologií komunikační technologie postupně vstoupily do éry 5G. Zatímco polovodičové materiály jsou neustále aktualizovány, integrované obvody se také ubírají směrem k velkému měřítku, vysoké integraci a vysokému výkonu. Aplikace širokopásmových polovodičových materiálů reprezentovaných SiC a GaN vedlo k rychlému vývoji bipolárních tranzistorů s izolovaným hradlem (IGBT), což otevírá novou situaci pro novou generaci informačních technologií.

Vysoký výkon a vysoká proudová hustota jsou vývojovým trendem IGBT čipů, které nevyhnutelně způsobí přehřívání elektronických součástek. Výzkumná data ukazují, že když povrchová teplota čipu dosáhne 70-80 °C, spolehlivost čipu se sníží o 5 % s každým zvýšením teploty o 1 °C. Více než 55 % poruchových režimů elektronických zařízení je způsobeno nadměrnou teplotou. K vyřešení problému rozptylu tepla je kromě přijetí účinnější technologie chlazení naléhavé vyvinout nové lehké elektronické obalové materiály s tepelnou vodivostí vyšší než 400 W/(m·K) a koeficientem roztažnosti odpovídajícím polovodičovému materiálu. Jako nový typ elektronického obalového materiálu se diamantové/kovové kompozitní materiály po více než deseti letech výzkumu a vývoje postupně dostaly do středu zájmu a jsou vysoce očekávané.

Diamant má vynikající výkon, jako je velká zakázaná šířka pásma, vysoká tvrdost a tepelná vodivost, vysoká rychlost driftu elektronového nasycení, vysoká teplotní odolnost, odolnost proti korozi a odolnost proti záření. Používá se ve vysokonapěťové a vysoce účinné výkonové elektronice, vysokofrekvenční a výkonové mikroelektronice, hluboká ultrafialová optoelektronika a další obory mají mimořádně důležité aplikační vyhlídky. Diamant má nejvyšší tepelnou vodivost (2200W/(m·K)) ze současně známých přírodních látek, která je 4krát větší než karbid křemíku (SiC), 13krát větší než křemík (Si) a větší než arsenid galia (GaAs ) Je 43krát větší, což je 4 až 5krát větší než u mědi a stříbra. V současné době jsou perspektivní kompozitní materiály odvádějící teplo diamant/kov.

Diamant je krychlový krystal, který vzniká kovalentní vazbou atomů uhlíku. Mnohé z extrémních vlastností diamantu jsou přímým důsledkem pevnosti kovalentní vazby sp³, která tvoří tuhou strukturu a malý počet atomů uhlíku. Kov vede teplo volnými elektrony a jeho vysoká tepelná vodivost je spojena s vysokou elektrickou vodivostí. Naproti tomu vedení tepla v diamantu je dosaženo pouze vibracemi mřížky (tj. fonony). Extrémně silné kovalentní vazby mezi atomy diamantu způsobují, že tuhá krystalová mřížka má vysokou frekvenci vibrací, takže její charakteristická teplota Debye je až 2220 K. Protože většina aplikací je mnohem nižší než teplota Debye, rozptyl fononu je malý, takže odpor vedení tepla fononem jako médiem je extrémně malý. Ale jakákoliv vada mřížky způsobí rozptyl fononů, čímž se sníží tepelná vodivost, což je vlastní charakteristika všech krystalových materiálů.

Tepelná vodivost kompozitních materiálů diamant/měď je omezena především návrhem a procesem přípravy rozhraní kompozitního materiálu, konkrétně vlastní tepelnou vodivostí měděné matrice, diamantu, objemovým podílem diamantu, velikostí částic a zlepšením rozhraní mezi těmito dvěma Je také zvláště důležité. Obecně se jako vyztužující fáze kompozitního materiálu používá diamant s kompletní krystalickou formou, nízkým obsahem dusíku, velikostí 100-500 um, aby se zabránilo přeměně povrchu na fázi podobnou grafitu, zvýšil se objemový podíl diamantu v kompozitu. materiál a pomáhají získat vysoce kvalitní kompozitní materiál diamant/měď.

Tváří v tvář polovodičovým součástkám se stále rostoucí hustotou výkonu stojí za to se těšit na to, zda kompozitní materiály diamant/kov dokážou dosáhnout rychlého odvodu tepla.