Ứng dụng của kim cương trong chất nền bao bì điện tử mới

Công nghệ vi điện tử hiện đại đang phát triển nhanh chóng, các hệ thống và thiết bị điện tử đang phát triển theo hướng tích hợp quy mô lớn, thu nhỏ, hiệu quả cao và độ tin cậy cao. Sự gia tăng tích hợp các hệ thống điện tử sẽ dẫn đến tăng mật độ năng lượng, cũng như tăng nhiệt tạo ra bởi các thành phần điện tử và hoạt động chung của hệ thống. Do đó, bao bì hiệu quả phải giải quyết vấn đề tản nhiệt của hệ thống điện tử.

Khả năng tản nhiệt tốt của thiết bị phụ thuộc vào thiết kế cấu trúc tản nhiệt được tối ưu hóa, lựa chọn vật liệu đóng gói (vật liệu giao diện nhiệt và chất nền tản nhiệt) và quy trình sản xuất bao bì. Trong số đó, việc lựa chọn vật liệu nền là một liên kết chính, ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí, hiệu suất và độ tin cậy của thiết bị. Nói chung, việc áp dụng vật liệu đóng gói điện tử cần xem xét hai yêu cầu hiệu suất cơ bản. Đầu tiên là khả năng dẫn nhiệt cao để truyền nhiệt nhanh và đảm bảo chip có thể hoạt động ổn định trong điều kiện nhiệt độ lý tưởng; đồng thời, vật liệu đóng gói cần đáng tin cậy. Hệ số giãn nở nhiệt có thể điều chỉnh, để phù hợp với chip và tất cả các loại vật liệu đóng gói, đồng thời giảm tác động bất lợi của ứng suất nhiệt. Con đường phát triển của vật liệu đóng gói điện tử là sự cải tiến và tối ưu hóa liên tục của hai đặc tính này.

 

Tất nhiên, vật liệu nền bao bì mới cũng cần xem xét các tính chất khác, chẳng hạn như điện trở suất cao, hằng số điện môi thấp, tổn thất điện môi, khả năng kết hợp nhiệt tốt với silicon và gali arsenua, độ phẳng bề mặt cao, tính chất cơ học tốt, dễ sản xuất công nghiệp và các đặc điểm khác , vì vậy việc lựa chọn vật liệu nền bao bì mới là một điểm nóng để nghiên cứu và phát triển ở nhiều quốc gia khác nhau. Hiện nay, một số chất nền đóng gói thường được sử dụng bao gồm gốm Al2O3, gốm SiC, AlN và các vật liệu khác.

 

Ngay từ năm 1929, công ty Siemens của Đức đã phát triển thành công gốm Al2O3, nhưng hệ số giãn nở nhiệt và hằng số điện môi của Al2O3 cao hơn so với các tinh thể đơn Si và độ dẫn nhiệt không đủ cao nên chất nền gốm Al2O3 không thích hợp cho cao tần số, Công suất lớn, dùng trong VLSI.

 

Sau đó, vật liệu nền gốm dẫn nhiệt cao SiC, AlN, SI3N4 và kim cương dần dần được đưa vào thị trường.

Độ dẫn nhiệt của gốm SiC rất cao và độ tinh khiết của kết tinh SiC càng cao thì độ dẫn nhiệt càng cao; Nhược điểm lớn nhất của SiC là hằng số điện môi quá cao và cường độ điện môi thấp nên nó hạn chế các ứng dụng tần số cao và chỉ thích hợp cho bao bì mật độ thấp.

 

Vật liệu AlN có tính chất điện môi tuyệt vời và tính chất hóa học ổn định, đặc biệt là hệ số giãn nở nhiệt của nó phù hợp với silicon, do đó nó có thể được sử dụng làm vật liệu nền đóng gói chất bán dẫn với triển vọng phát triển lớn. Tuy nhiên, độ dẫn nhiệt thấp và khi bao bì bán dẫn có yêu cầu tản nhiệt ngày càng cao, vật liệu AlN cũng có một nút cổ chai phát triển nhất định.

 

Cuối cùng, kim cương nổi bật. Kim cương có tính chất vật lý nhiệt toàn diện rất tốt. Độ dẫn nhiệt của nó ở nhiệt độ phòng là {{0}}W/(m·K) và hệ số giãn nở nhiệt của nó là 0,8×10-6/K. Nó có tiềm năng lớn trong chất bán dẫn, quang học, v.v. Nhiều đặc tính tuyệt vời, nhưng một viên kim cương đơn lẻ không dễ chế tạo thành vật liệu đóng gói và giá thành cao.

 

Theo quy tắc trộn, hỗn hợp ma trận kim cương/kim loại được điều chế bằng cách thêm các hạt kim cương vào Ag, Cu, Al và ma trận kim loại dẫn nhiệt cao khác dự kiến ​​sẽ trở thành một loại vật liệu đóng gói điện tử mới có cả hệ số giãn nở nhiệt thấp và nhiệt cao. độ dẫn nhiệt. Dựa trên tính dẫn điện tuyệt vời và độ dẫn nhiệt cao của đồng, vật liệu composite kim cương/đồng đã được phát triển làm vật liệu nền cho bao bì điện tử, và người ta đã xác nhận rằng vật liệu composite kim cương/đồng có lớp mạ và khả năng hàn tốt, đáp ứng tiêu chuẩn Điện tử. vật liệu nền đóng gói yêu cầu hệ số giãn nở nhiệt thấp và độ dẫn nhiệt cao, đồng thời so với hợp kim Mo/Cu, chúng có mật độ thấp hơn và trọng lượng nhẹ hơn.

 

Do đó, vật liệu tổng hợp kim cương/đồng với kim cương làm pha gia cố và đồng làm vật liệu ma trận Vật liệu có thể được sử dụng để đóng gói chip, có thể cải thiện hiệu suất của hệ thống thiết bị điện tử và giúp giảm trọng lượng của thiết bị.

Với sự cải tiến liên tục của các vấn đề kỹ thuật về vật liệu, thiết bị, v.v., kim cương đã trở thành vật liệu nền có tính dẫn nhiệt cao và tản nhiệt tốt. Nó có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong môi trường nhiệt độ cao hơn. Vật liệu bán dẫn tốt nhất cho các thiết bị có mật độ năng lượng, tiềm năng to lớn của nó thu hút ngày càng nhiều nhà nghiên cứu cống hiến hết mình cho nó. Tiềm năng của kim cương sẽ được phát triển dần dần để đáp ứng nhu cầu của ngành công nghiệp bán dẫn trong tương lai và chiếm một vị trí trong vật liệu đóng gói điện tử bán dẫn.