Могут ли композиты алмаз / металл спасти перегретые полупроводниковые устройства в эпоху 5G?
С быстрым развитием электронных технологий коммуникационные технологии постепенно вошли в эру 5G. В то время как полупроводниковые материалы постоянно обновляются, интегральные схемы также движутся в направлении крупномасштабных, высокоинтегрированных и высокомощных. Применение широкозонных полупроводниковых материалов, представленных SiC и GaN, привело к быстрому развитию биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), что открывает новые возможности для нового поколения информационных технологий.
Высокая мощность и высокая плотность тока - это тенденция развития микросхем IGBT, что неизбежно приведет к перегреву электронных компонентов. Данные исследований показывают, что когда температура поверхности чипа достигает 70-80 ° C, надежность чипа снижается на 5% на каждый 1 ° C повышения температуры. Более 55% отказов электронных устройств вызваны перегревом. Чтобы решить проблему рассеивания тепла, помимо более эффективной технологии охлаждения, необходимо срочно разработать новые легкие электронные упаковочные материалы с теплопроводностью более 400 Вт / (м · К) и коэффициентом расширения, соответствующим полупроводниковому материалу. В качестве нового типа электронного упаковочного материала композитные материалы алмаз / металл постепенно переместились в центр внимания после более чем десяти лет исследований и разработок, и их ждут с большим нетерпением.
Алмаз обладает превосходными характеристиками, такими как большая ширина запрещенной зоны, высокая твердость и теплопроводность, высокая скорость дрейфа электронного насыщения, высокая термостойкость, коррозионная стойкость и радиационная стойкость. Он используется в высоковольтной и высокоэффективной силовой электронике, высокочастотной и мощной микроэлектронике, оптоэлектронике глубокого ультрафиолета и других областях, имеющих чрезвычайно важные перспективы применения. Алмаз имеет самую высокую теплопроводность (2200 Вт / (м · К)) среди известных в настоящее время природных веществ, что в 4 раза больше, чем у карбида кремния (SiC), в 13 раз больше, чем у кремния (Si), и больше, чем у арсенида галлия (GaAs). ) Он в 43 раза больше, что в 4-5 раз больше, чем у меди и серебра. В настоящее время перспективными являются теплорассеивающие композиционные материалы алмаз / металл.
Алмаз - это кубический кристалл, образованный ковалентной связью атомов углерода. Многие из экстремальных свойств алмаза являются прямым результатом прочности ковалентной связи sp³, которая образует жесткую структуру и небольшое количество атомов углерода. Металл проводит тепло через свободные электроны, и его высокая теплопроводность связана с высокой электропроводностью. Напротив, теплопроводность в алмазе достигается только за счет колебаний решетки (т.е. фононов). Чрезвычайно прочные ковалентные связи между атомами алмаза заставляют жесткую кристаллическую решетку иметь высокую частоту колебаний, поэтому ее характеристическая температура Дебая достигает 2220 К. Поскольку в большинстве приложений температура намного ниже температуры Дебая, рассеяние фононов невелико, поэтому сопротивление теплопроводности с фононом в качестве среды чрезвычайно мало. Но любой дефект решетки вызывает рассеяние фононов, тем самым снижая теплопроводность, которая является неотъемлемой характеристикой всех кристаллических материалов.
Теплопроводность композитных материалов алмаз / медь в основном ограничена конструкцией и процессом подготовки поверхности раздела композитного материала, в частности собственной теплопроводностью медной матрицы, алмаза, объемной долей алмаза, размером частиц и улучшением качества интерфейс между двумя Это также особенно важно. Как правило, алмаз с полной кристаллической формой, низким содержанием азота, размером 100-500 мкм используется в качестве армирующей фазы композитного материала, чтобы предотвратить превращение поверхности в графитоподобную фазу, увеличить объемную долю алмаза в композите. материал, и помогает получить высококачественный композитный материал алмаз / медь.
Перед лицом полупроводниковых компонентов с постоянно увеличивающейся удельной мощностью стоит подумать, смогут ли композитные материалы алмаз / металл обеспечить быстрое рассеивание тепла.
