منذ ثمانينيات القرن الماضي، ازدادت كثافة تكامل الدوائر الإلكترونية بمعدل سنوي قدره 1.5 مرة أو أكثر. ويؤدي التكامل الأعلى إلى زيادة كثافة التيار وتوليد الحرارة أثناء التشغيل.إذا لم يتم تبديد هذه الحرارة بكفاءة، فقد تتسبب في فشل حراري وتقليل عمر المكونات الإلكترونية.
لتلبية متطلبات الإدارة الحرارية المتزايدة، يتم إجراء أبحاث مكثفة وتحسينات على مواد التغليف الإلكترونية المتقدمة ذات الموصلية الحرارية الفائقة.
مادة مركبة من الماس والنحاس
01 الماس والنحاس
تشمل مواد التغليف التقليدية السيراميك والبلاستيك والمعادن وسبائكها. تتميز السيراميكيات مثل BeO وAlN بمعاملات تمدد حراري مطابقة لأشباه الموصلات، وثبات كيميائي جيد، وموصلية حرارية معتدلة. ومع ذلك، فإن معالجتها المعقدة، وتكلفتها العالية (خاصةً BeO السام)، وهشاشتها تحد من تطبيقاتها. يتميز التغليف البلاستيكي بتكلفة منخفضة، وخفة وزن، وعزل حراري، ولكنه يعاني من ضعف الموصلية الحرارية وعدم استقرار في درجات الحرارة العالية. تتميز المعادن النقية (Cu، Ag، Al) بموصلية حرارية عالية، ولكن بمعامل تمدد حراري مفرط، بينما تُضعف السبائك (Cu-W، Cu-Mo) الأداء الحراري. لذلك، هناك حاجة ماسة لمواد تغليف جديدة توازن بين الموصلية الحرارية العالية ومعامل التمدد الحراري الأمثل.
| تعزيز | الموصلية الحرارية (W/(m·K)) | معامل التمدد الحراري (×10⁻⁶/℃) | الكثافة (جم/سم³) |
| الماس | 700–2000 | 0.9–1.7 | 3.52 |
| جسيمات BeO | 300 | 4.1 | 3.01 |
| جسيمات AlN | 150–250 | 2.69 | 3.26 |
| جسيمات SiC | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| جزيئات B₄C | 29–67 | 4.4 | 2.52 |
| ألياف البورون | 40 | ~5.0 | 2.6 |
| جسيمات TiC | 40 | 7.4 | 4.92 |
| جزيئات Al₂O₃ | 20–40 | 4.4 | 3.98 |
| شوارب SiC | 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 |
الماس، وهي المادة الطبيعية الأكثر صلابة المعروفة (موهس 10)، وتتمتع أيضًا بخصائص استثنائيةالموصلية الحرارية (200–2200 واط/(م·ك)).
مسحوق الماس الدقيق
نحاس, مع موصلية حرارية/كهربائية عالية (401 واط/(م·ك))، والمرونة، والكفاءة من حيث التكلفة، تُستخدم على نطاق واسع في الدوائر المتكاملة.
بدمج هذه الخصائص،مركبات الماس / النحاس (ضياء / النحاس).—مع النحاس كمصفوفة والماس كتعزيز—تبرز كمواد إدارة حرارية من الجيل التالي.
02 طرق التصنيع الرئيسية
تتضمن الطرق الشائعة لإعداد الماس/النحاس ما يلي: مسحوق المعادن، وطريقة درجات الحرارة العالية والضغط العالي، وطريقة الغمر المنصهر، وطريقة التلبيد بالبلازما التفريغية، وطريقة الرش البارد، وما إلى ذلك.
مقارنة بين طرق التحضير المختلفة والعمليات وخصائص مركبات الماس/النحاس ذات الحجم الواحد
| المعلمة | مسحوق المعادن | الضغط الساخن بالفراغ | تلبيد البلازما الشراري (SPS) | الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية (HPHT) | ترسيب الرذاذ البارد | تسرب الذوبان |
| نوع الماس | إم بي دي 8 | HFD-D | إم بي دي 8 | إم بي دي 4 | المساعد الرقمي الشخصي (PDA) | MBD8/HHD |
| المصفوفة | 99.8% مسحوق النحاس | مسحوق النحاس الكهربائي بنسبة 99.9% | مسحوق النحاس 99.9% | سبيكة/مسحوق النحاس النقي | مسحوق النحاس النقي | النحاس النقي بالجملة/القضيب |
| تعديل الواجهة | - | - | - | ب، تيتانيوم، سي، كروم، زركونيا مكعبة، و، مو | - | - |
| حجم الجسيمات (ميكرومتر) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| نسبة الحجم (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| درجة الحرارة (°م) | 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 (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | - | 943 |
تشمل التقنيات المركبة Dia/Cu الشائعة ما يلي:
(1)مسحوق المعادن
تُضغط وتُلبَّد مساحيق الماس/النحاس المختلطة. ورغم بساطة هذه الطريقة وفعاليتها من حيث التكلفة، إلا أنها تُنتج كثافة محدودة، وبنى مجهرية غير متجانسة، وأبعاد عينات محدودة.
Sوحدة التداخل
(1)الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية (HPHT)
باستخدام مكابس متعددة السندان، يتسرب النحاس المنصهر إلى شبكات الماس في ظروف قاسية، منتجًا مواد مركبة كثيفة. إلا أن تقنية HPHT تتطلب قوالب باهظة الثمن، وهي غير مناسبة للإنتاج على نطاق واسع.
Cصحافة يوبيك
(1)تسرب الذوبان
يتخلل النحاس المنصهر قوالب الماس الأولية عن طريق التسرب بمساعدة الضغط أو الشعيرات الدموية. وتحقق المركبات الناتجة موصلية حرارية تزيد عن 446 واط/متر·كلفن.
(2)تلبيد البلازما الشراري (SPS)
يُسبّب التيار النبضي تكليسًا سريعًا للمساحيق المختلطة تحت الضغط. على الرغم من كفاءته، يتدهور أداء SPS عند كسور ألماس تزيد عن 65% حجميًا.
مخطط تخطيطي لنظام التلبيد البلازمي التفريغي
(5) ترسيب الرذاذ البارد
يتم تسريع عملية المساحيق وترسيبها على الركائز. تواجه هذه الطريقة الناشئة تحديات في التحكم في تشطيب الأسطح والتحقق من الأداء الحراري.
03 تعديل الواجهة
لتحضير المواد المركبة، يُعدّ البلل المتبادل بين المكونات شرطًا أساسيًا لعملية التصنيع، وعاملًا مهمًا يؤثر على بنية السطح البيني وحالة الترابط البيني. يؤدي عدم البلل عند السطح البيني بين الماس والنحاس إلى مقاومة حرارية عالية جدًا. لذلك، من الضروري إجراء أبحاث تعديلية على السطح البيني بينهما باستخدام وسائل تقنية مختلفة. حاليًا، توجد طريقتان رئيسيتان لتحسين مشكلة السطح البيني بين الماس ومصفوفة النحاس: (1) معالجة تعديل سطح الماس؛ (2) معالجة مصفوفة النحاس بالسبائك.
مخطط التعديل التخطيطي: (أ) الطلاء المباشر على سطح الماس؛ (ب) السبائك المصفوفية
(1) تعديل سطح الماس
يمكن أن يُحسّن طلاء العناصر النشطة، مثل الموليبدينوم والتيتانيوم والوقود الصلب والكروم، على الطبقة السطحية لمرحلة التعزيز، خصائص واجهة الماس، وبالتالي تعزيز موصليته الحرارية. يُمكّن التلبيد هذه العناصر من التفاعل مع الكربون على سطح مسحوق الماس لتكوين طبقة انتقالية من الكربيد. يُحسّن هذا حالة البلل بين الماس والقاعدة المعدنية، كما يمنع الطلاء تغير بنية الماس في درجات الحرارة العالية.
(2) سبائك مصفوفة النحاس
قبل معالجة المواد المركبة، تُجرى معالجة مسبقة للنحاس المعدني، مما يُنتج مواد مركبة ذات موصلية حرارية عالية عمومًا. ولا يقتصر تأثير تطعيم العناصر النشطة في مصفوفة النحاس على تقليل زاوية البلل بين الماس والنحاس فحسب، بل يُنتج أيضًا طبقة كربيد صلبة قابلة للذوبان في مصفوفة النحاس عند نقطة التلامس بين الماس والنحاس بعد التفاعل. وبهذه الطريقة، تُعدّل وتُملأ معظم الفجوات الموجودة عند نقطة التلامس بين المادة، مما يُحسّن الموصلية الحرارية.
04 الخاتمة
مواد التغليف التقليدية تعجز عن إدارة الحرارة الناتجة عن الرقائق المتطورة. تُمثل مركبات Dia/Cu، ذات معامل التمدد الحراري القابل للضبط والموصلية الحرارية الفائقة، حلاً ثوريًا للإلكترونيات من الجيل التالي.
باعتبارها مؤسسة عالية التقنية تجمع بين الصناعة والتجارة، تركز شركة XKH على البحث والتطوير وإنتاج مركبات الماس / النحاس ومركبات المصفوفة المعدنية عالية الأداء مثل SiC / Al و Gr / Cu، وتوفير حلول إدارة حرارية مبتكرة مع موصلية حرارية تزيد عن 900 واط / (م · ك) لمجالات التغليف الإلكتروني ووحدات الطاقة والفضاء الجوي.
إكس كيه إتش'مادة مركبة من صفائح النحاس الماسية:
وقت النشر: ١٢ مايو ٢٠٢٥