منذ ثمانينيات القرن الماضي، ازدادت كثافة تكامل الدوائر الإلكترونية بمعدل سنوي قدره 1.5 ضعف أو أكثر. ويؤدي ارتفاع مستوى التكامل إلى زيادة كثافة التيار وتوليد الحرارة أثناء التشغيل.إذا لم يتم تبديد هذه الحرارة بكفاءة، فقد تتسبب في حدوث عطل حراري وتقليل عمر المكونات الإلكترونية.
ولتلبية متطلبات إدارة الحرارة المتزايدة، يتم إجراء أبحاث مكثفة وتحسين مواد التغليف الإلكترونية المتقدمة ذات الموصلية الحرارية الفائقة.
مادة مركبة من الماس والنحاس
01 الماس والنحاس
تشمل مواد التغليف التقليدية السيراميك والبلاستيك والمعادن وسبائكها. يتميز السيراميك، مثل أكسيد البريليوم (BeO) ونيتريد الألومنيوم (AlN)، بمعامل تمدد حراري مماثل لأشباه الموصلات، واستقرار كيميائي جيد، وموصلية حرارية متوسطة. مع ذلك، فإن تعقيد تصنيعه، وتكلفته العالية (خاصةً أكسيد البريليوم السام)، وهشاشته تحد من استخداماته. يوفر التغليف البلاستيكي تكلفة منخفضة، ووزنًا خفيفًا، وعزلًا حراريًا، ولكنه يعاني من ضعف الموصلية الحرارية وعدم استقراره عند درجات الحرارة العالية. تتميز المعادن النقية (النحاس، والفضة، والألومنيوم) بموصلية حرارية عالية، ولكن بمعامل تمدد حراري مرتفع، بينما تُضعف السبائك (النحاس-التنغستن، والنحاس-الموليبدينوم) الأداء الحراري. لذا، ثمة حاجة ماسة إلى مواد تغليف جديدة تُوازن بين الموصلية الحرارية العالية ومعامل التمدد الحراري الأمثل.
| تعزيز | الموصلية الحرارية (واط/(متر·كلفن)) | CTE (×10⁻⁶/℃) | الكثافة (جم/سم³) |
| الماس | 700–2000 | 0.9–1.7 | 3.52 |
| جزيئات أكسيد البريليوم | 300 | 4.1 | 3.01 |
| جسيمات AlN | 150–250 | 2.69 | 3.26 |
| جسيمات كربيد السيليكون | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| جسيمات B₄C | 29–67 | 4.4 | 2.52 |
| ألياف البورون | 40 | ~5.0 | 2.6 |
| جزيئات TiC | 40 | 7.4 | 4.92 |
| جسيمات Al₂O₃ | 20-40 | 4.4 | 3.98 |
| شعيرات كربيد السيليكون | 32 | 3.4 | – |
| جسيمات Si₃N₄ | 28 | 1.44 | 3.18 |
| جزيئات TiB₂ | 25 | 4.6 | 4.5 |
| جزيئات SiO₂ | 1.4 | <1.0 | 2.65 |
الماسكما أنها تمتلك خصائص استثنائية، وهي أقسى مادة طبيعية معروفة (مقياس موس 10).الموصلية الحرارية (200-2200 واط/(م·ك)).
مسحوق الماس الدقيق
نحاس, مع موصلية حرارية/كهربائية عالية (401 واط/(م·ك))تُستخدم هذه التقنية على نطاق واسع في الدوائر المتكاملة نظرًا لمرونتها وكفاءتها من حيث التكلفة.
بدمج هذه الخصائص،مركبات الماس / النحاس (ضياء / النحاس).تُعتبر المواد التي تستخدم النحاس كمادة أساسية والماس كمادة تقوية من الجيل التالي من مواد إدارة الحرارة.
02 طرق التصنيع الرئيسية
تشمل الطرق الشائعة لتحضير الماس/النحاس ما يلي: تعدين المساحيق، وطريقة درجات الحرارة العالية والضغط العالي، وطريقة غمر الصهر، وطريقة تلبيد البلازما بالتفريغ، وطريقة الرش البارد، وما إلى ذلك.
مقارنة بين طرق التحضير والعمليات وخصائص مركبات الماس/النحاس أحادية الحجم
| المعلمة | تعدين المساحيق | الضغط الحراري بالتفريغ | التلبيد بالبلازما الشرارية (SPS) | الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية (HPHT) | الترسيب بالرش البارد | التغلغل بالذوبان |
| نوع الماس | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | جهاز مساعد رقمي شخصي | MBD8/HHD |
| المصفوفة | مسحوق النحاس بنسبة 99.8% | مسحوق النحاس الإلكتروليتي بنسبة 99.9% | مسحوق النحاس بنسبة 99.9% | مسحوق النحاس النقي/المخلوط | مسحوق النحاس النقي | نحاس نقي سائب/قضيب |
| تعديل الواجهة | – | – | – | B، Ti، Si، Cr، Zr، W، Mo | – | – |
| حجم الجسيمات (ميكرومتر) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| النسبة الحجمية (%) | 20–60 | 40–60 | 35-60 | 60–90 | 20-40 | 60–65 |
| درجة الحرارة (°مئوية) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| الضغط (ميجا باسكال) | 110 | 70 | 40-50 | 8000 | 3 | 1-4 |
| الوقت (بالدقائق) | 60 | 60–180 | 20 | 6-10 | – | 5-30 |
| الكثافة النسبية (%) | 98.5 | 99.2–99.7 | – | – | – | 99.4–99.7 |
| أداء | ||||||
| الموصلية الحرارية المثلى (واط/(متر·كلفن)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
تشمل التقنيات المركبة Dia/Cu الشائعة ما يلي:
(1)تعدين المساحيق
يتم ضغط مساحيق الماس/النحاس المختلطة وتلبيدها. على الرغم من أن هذه الطريقة فعالة من حيث التكلفة وبسيطة، إلا أنها تنتج كثافة محدودة، وبنية مجهرية غير متجانسة، وأبعاد عينة محدودة.
Sوحدة التدريب
(1)الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية (HPHT)
باستخدام مكابس متعددة السنادين، يتغلغل النحاس المنصهر في شبكات الماس تحت ظروف قاسية، مما ينتج عنه مواد مركبة كثيفة. ومع ذلك، تتطلب تقنية الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية قوالب باهظة الثمن، وهي غير مناسبة للإنتاج على نطاق واسع.
Cدار النشر الجامعية
(1)التغلغل بالذوبان
يتغلغل النحاس المنصهر في قوالب الماس الأولية عبر التغلغل المدعوم بالضغط أو الخاصية الشعرية. وتحقق المركبات الناتجة موصلية حرارية تزيد عن 446 واط/(متر·كلفن).
(2)التلبيد بالبلازما الشرارية (SPS)
يعمل التيار النبضي على تلبيد المساحيق المختلطة بسرعة تحت الضغط. وعلى الرغم من كفاءته، إلا أن أداء تقنية التلبيد بالبلازما الشرارية يتدهور عند نسب الماس التي تزيد عن 65% حجماً.
مخطط تخطيطي لنظام التلبيد بالبلازما التفريغية
(5) الترسيب بالرش البارد
يتم تسريع المساحيق وترسيبها على الركائز. تواجه هذه الطريقة الناشئة تحديات في التحكم في جودة السطح والتحقق من الأداء الحراري.
03 تعديل الواجهة
في تحضير المواد المركبة، يُعدّ التبلل المتبادل بين المكونات شرطًا أساسيًا لعملية التركيب، وعاملًا هامًا يؤثر على بنية السطح البيني وحالة الترابط بين مكوناته. يؤدي عدم التبلل عند السطح البيني بين الماس والنحاس إلى مقاومة حرارية عالية جدًا. لذا، من الضروري إجراء أبحاث لتعديل هذا السطح البيني باستخدام وسائل تقنية متنوعة. حاليًا، توجد طريقتان رئيسيتان لتحسين هذه المشكلة: (1) معالجة سطح الماس؛ (2) معالجة النحاس بالسبائك.
مخطط توضيحي للتعديل: (أ) الطلاء المباشر على سطح الماس؛ (ب) السبائك المصفوفية
(1) تعديل سطح الماس
يمكن لطلاء العناصر النشطة مثل الموليبدينوم والتيتانيوم والتنغستن والكروم على الطبقة السطحية للمرحلة المقوية أن يحسن خصائص التفاعل بين الماس والسطح، مما يعزز موصليته الحرارية. ويمكن لعملية التلبيد أن تسمح لهذه العناصر بالتفاعل مع الكربون الموجود على سطح مسحوق الماس لتكوين طبقة انتقالية من الكربيد. وهذا بدوره يحسن حالة التبلل بين الماس والقاعدة المعدنية، كما أن الطلاء يحمي بنية الماس من التغير عند درجات الحرارة العالية.
(2) خلط مصفوفة النحاس
قبل معالجة المواد المركبة، تُجرى معالجة مسبقة بالسبائك على النحاس المعدني، مما يُنتج مواد مركبة ذات موصلية حرارية عالية عمومًا. لا يُسهم تطعيم العناصر النشطة في مصفوفة النحاس في تقليل زاوية التبلل بين الماس والنحاس فحسب، بل يُولّد أيضًا طبقة من الكربيد قابلة للذوبان في مصفوفة النحاس عند سطح التماس بين الماس والنحاس بعد التفاعل. وبهذه الطريقة، تُعدّل وتُملأ معظم الفجوات الموجودة عند سطح التماس بين المواد، مما يُحسّن الموصلية الحرارية.
04 الخاتمة
تعجز مواد التغليف التقليدية عن إدارة الحرارة الناتجة عن الرقائق الإلكترونية المتطورة. وتمثل مركبات النحاس/القطران، ذات معامل التمدد الحراري القابل للتعديل والتوصيل الحراري الفائق، حلاً ثورياً للإلكترونيات من الجيل القادم.
بصفتها مؤسسة ذات تقنية عالية تدمج الصناعة والتجارة، تركز XKH على البحث والتطوير وإنتاج مركبات الماس/النحاس ومركبات المصفوفة المعدنية عالية الأداء مثل SiC/Al و Gr/Cu، مما يوفر حلولًا مبتكرة لإدارة الحرارة مع موصلية حرارية تزيد عن 900 واط/(م·ك) لمجالات التغليف الإلكتروني ووحدات الطاقة والفضاء.
XKH'مادة مركبة من رقائق النحاس المغلفة بالماس:
تاريخ النشر: 12 مايو 2025