Композитные материалы алмаз/медь (Cu) для высокой теплопроводности и улучшенных механических характеристик
April 27, 2025
Начиная с 1980-х годов уровень интеграции цепей в электронные компоненты ежегодно увеличивается в 1,5 раза или даже быстрее.По мере роста уровня интеграции интегральных схемЕсли тепло не рассеивается своевременно, то в результате возникает дополнительное тепло.может вызвать тепловое повреждение электронных компонентов и сократить их срок службыПоэтому для удовлетворения растущих потребностей электронных компонентов в рассеивании тепла, электронные упаковочные материалы с высокой теплопроводностью постоянно исследуются и оптимизируются.
Чистые металлы, такие как Cu, Ag и Al, имеют высокую теплопроводность, но чрезмерно высокую скорость теплового расширения.для обеспечения нормальной работы электронных компонентов и продления их срока службы, существует настоятельная необходимость в разработке новых упаковочных материалов с высокой теплопроводностью и соответствующими коэффициентами теплового расширения.с твердостью Моха 10, а также является одним из природных материалов с самой высокой теплопроводностью, достигающей от 200 до 2200 Вт/кк. Объединяя тепловые свойства алмаза и меди,алмазные/медные композиты, использующие медь в качестве матрицы и алмаз в качестве арматуры, широко считаются основными материалами электронной упаковки с высокой теплопроводностью в будущем.
Композит алмаз/медь представляет собой высокопроизводительный композитный материал, состоящий из алмаза
Общие методы приготовления для алмазных/медных композитов включают в себя: порошковую металлургию, высокую температуру и высокое давление, инфильтрацию плавильного сплава, искровое плазменное сцинтерирование, холодное распыление и другие.
(1) Металлургия порошка
смешивать алмазные частицы сВ процессе смешивания можно добавить определенное количество связующего и формирующих веществ.синтерирование осуществляется для получения высокотеплопроводящих композитов алмаза/CuПорошковая металлургия является простым процессом с относительно низкой стоимостью и является относительно зрелым методом синтеза.Дополнительно, подготовленные образцы, как правило, имеют ограниченный размер и простую форму, что затрудняет непосредственное достижение теплопроводящих материалов.
(2) Высокая температура и высокое давление
(3) Инфильтрация плавления
(4) Сцинтерирование плазмы искрами (SPS)
(5) Холодное опрыскивание
Холодное распыление отложения включает в себя помещение двух смешанных порошков в камеру печи, где после плавления металла и атомизации жидкого металла,частицы распыляют и осаждают на подложку для получения композитного материала..
Стратегии используются для решения вопросов интерфейса между алмазом и матрицей Cu
Для изготовления композитных материалов взаимная влажность между компонентами является необходимым условием успешного комбинирования.и играет решающую роль в определении структуры интерфейса и состояния связыванияВ связи с этим были изучены различные технические подходы для модификации интерфейса алмаз-Cu.что имеет решающее значение для улучшения производительности композитов.
В настоящее время используются две основные стратегии для решения вопросов интерфейса между бриллиантом и матрицей Cu:
Изменение поверхности алмаза
Покрытие поверхности алмазных частиц активными элементами, такими как Mo, Ti, W или Cr, может значительно улучшить характеристики интерфейса.эти элементы вступают в реакцию с углеродом на поверхности алмаза, образуя карбидный переходный слойКроме того, такие покрытия могут защитить структуру алмаза от деградации при повышенных температурах.
Сплав медной матрицы
Перед обработкой композитов медную матрицу можно предварительно сплавить активными элементами.Введение активных элементов в медную матрицу эффективно уменьшает угол контакта между бриллиантом и меди и способствует образованию карбидного слоя на границе бриллиант / CuЭти карбиды, которые могут частично растворяться в медной матрице, помогают заполнить межповерхностные пустоты и значительно улучшить тепловую производительность.
Ландшафт рынка и тенденции развития
Структура рынка
Международное лидерство:
На рынках высокого класса доминируют международные игроки, такие как AMETEK (США) и Sumitomo Electric (Япония), в основном обслуживающие военный и аэрокосмический сектора.Heraeus (Германия) и Toho Titanium (Япония) сосредоточены на подложках для теплового управления потребительской электроники.
Прогресс внутреннего производства:
Китайские производители (например, Институт исследования металлов, Китайская академия наук;Hunan Dingli Technology) добились массового производства 6-дюймовых алмазных/Cu композитных субстратов с помощью методов порошковой металлургииК 2023 году китайские компании захватили 25% внутреннего рынка.
Размер рынка
Согласно прогнозу QY Research, к 2025 году мировой рынок композитов алмазов и кумулатора достигнет 1,2 миллиарда долларов США с совокупным годовым темпом роста (CAGR) 18%.Ожидается, что на Азиатско-Тихоокеанский регион будет приходиться более 50% мирового спроса.
В секторе связи 5G ожидается, что к 2024 году спрос на модули теплового управления базовой станции приведет к увеличению потребления композитных материалов на 300%.
Будущие тенденции
Прорывы в технологии синтетических алмазов:
Ожидается, что в течение следующего десятилетия стоимость алмазов с химическим отложением паров (CVD) снизится до одной десятой текущего уровня.
Приложения для гетерогенной интеграции:
Разработка ультратонких гибких тепловых пленок путем соединения алмаза с двумерными материалами, такими как графен и нитрид бора.
Умное тепловое управление:
Интеграция датчиков температуры в алмазные/Cu субстраты для мониторинга распределения тепла в режиме реального времени и динамического регулирования тепла.
Проблемы и будущие направления исследований
Технические узкие места
Трудность одновременного достижения низкой тепловой стойкости интерфейса и высокой производительности серийного производства, ограничивая проникновение композитов алмаза/куба на рынки потребительской электроники.
Постоянные проблемы с окислением интерфейса и диффузией элементов во время длительного использования при высоких температурах.
Исследовательские направления
Дизайн биомиметического интерфейса:
Вдохновленные слоистыми структурами в природе (например, накрей), изучаются многомасштабные стратегии распределения арматуры для оптимизации производительности термомеханического соединения.
Зеленые производственные процессы:
Разработка экологически чистых процессов, таких как электропластировка без цианидов и низкотемпературное спекание для сокращения выбросов углерода.
Сверхвысокотемпературные композиты:
Исследование потенциала применения композитов алмаз/Cu в условиях, превышающих 1000°C.
Заключение
Благодаря их несравненной теплопроводности и всеобъемлющим механическим преимуществам,композиты алмаз/Cu становятся ключевыми материалами для высокомощных электронных устройств и приложений в экстремальных условияхНесмотря на проблемы в области оптимизации интерфейса и сокращения затрат,Продолжающийся прогресс в синтетических методах и постепенное созревание промышленной цепочки прокладывают путь к более широкому применению.
В будущем посредством междисциплинарных инноваций, объединяющих материаловедение, нанотехнологии,и искусственного интеллекта √ алмазные/Cu композиты, как ожидается, приведут электронные устройства к более высокой производительностиКроме того, эти материалы будут играть решающую роль в повышении глобальной энергоэффективности и поддержке инициатив по нейтрализации выбросов углерода.
Другие сопутствующие рекомендации по продуктам
Медная субстратная однокристаллическая Cu вафель 5x5x0.5/lmm 10x10x0.5/1mm 20x20x0.5/1mm