Aplikace diamantu v nových elektronických obalových substrátech

Moderní technologie mikroelektroniky se rychle rozvíjí a elektronické systémy a zařízení se vyvíjejí směrem k rozsáhlé integraci, miniaturizaci, vysoké účinnosti a vysoké spolehlivosti. Nárůst integrace elektronických systémů povede ke zvýšené hustotě výkonu, stejně jako ke zvýšenému teplu generovanému elektronickými součástkami a celkovému provozu systému. Proto musí efektivní balení vyřešit problém rozptylu tepla elektronických systémů.

Dobrý odvod tepla zařízení závisí na optimalizovaném návrhu struktury odvodu tepla, výběru obalového materiálu (materiál tepelného rozhraní a substrát pro odvod tepla) a procesu výroby obalu. Mezi nimi je klíčovým článkem výběr materiálu substrátu, který přímo ovlivňuje náklady, výkon a spolehlivost zařízení. Obecně řečeno, aplikace elektronických obalových materiálů musí vzít v úvahu dva základní požadavky na výkon. Prvním je vysoká tepelná vodivost pro dosažení rychlého přenosu tepla a zajištění, že čip může pracovat stabilně za ideálních teplotních podmínek; zároveň musí být obalový materiál spolehlivý. Nastavitelný koeficient tepelné roztažnosti, aby se zachovala shoda s čipem a všemi úrovněmi obalových materiálů a snížily se nepříznivé účinky tepelného namáhání. Vývojovou dráhou elektronických obalových materiálů je neustálé zlepšování a optimalizace těchto dvou vlastností.

 

Samozřejmě, nové obalové substrátové materiály musí také vzít v úvahu další vlastnosti, jako je vysoký odpor, nízká dielektrická konstanta, dielektrické ztráty, dobré tepelné přizpůsobení křemíku a arsenidu galia, vysoká rovinnost povrchu, dobré mechanické vlastnosti a snadnost průmyslové výroby a další vlastnosti. , takže výběr nových obalových substrátových materiálů je horkým místem pro výzkum a vývoj v různých zemích. V současnosti několik běžně používaných obalových substrátů zahrnuje keramiku Al2O3, keramiku SiC, AlN a další materiály.

 

Již v roce 1929 německá společnost Siemens úspěšně vyvinula keramiku Al2O3, ale koeficient tepelné roztažnosti a dielektrická konstanta Al2O3 jsou vyšší než u monokrystalů Si a tepelná vodivost není dostatečně vysoká, takže keramické substráty Al2O3 nejsou vhodné pro vysoké frekvence, velký výkon, používá se ve VLSI.

 

Následně na trh postupně vstoupily vysoce tepelně vodivé keramické substrátové materiály SiC, AlN, SI3N4 a diamant.

Tepelná vodivost SiC keramiky je velmi vysoká a čím vyšší je čistota krystalizace SiC, tím vyšší je tepelná vodivost; největší nevýhodou SiC je příliš vysoká dielektrická konstanta a nízká dielektrická pevnost, takže omezuje jeho vysokofrekvenční aplikace a je vhodný pouze pro balení s nízkou hustotou.

 

Materiál AlN má vynikající dielektrické vlastnosti a stabilní chemické vlastnosti, zejména jeho koeficient tepelné roztažnosti odpovídá koeficientu křemíku, takže jej lze použít jako polovodičový obalový substrát s velkou perspektivou rozvoje. Tepelná vodivost je však nízká, a protože polovodičové obaly mají stále vyšší požadavky na odvod tepla, mají AlN materiály také určité úzké hrdlo ve vývoji.

 

Nakonec vynikl diamant. Diamant má velmi dobré komplexní termofyzikální vlastnosti. Jeho tepelná vodivost při pokojové teplotě je {{0}}W/(m·K) a jeho koeficient tepelné roztažnosti je 0,8×10-6/K. Má velký potenciál v oblasti polovodičů, optiky atd. Mnoho vynikajících vlastností, ale z jediného diamantu není snadné vyrobit obalové materiály a náklady jsou vysoké.

 

Podle pravidla míchání se očekává, že kompozit diamant/kovová matrice připravený přidáním diamantových částic do Ag, Cu, Al a další kovové matrice s vysokou tepelnou vodivostí se stane novým typem elektronického obalového materiálu s nízkým koeficientem tepelné roztažnosti a vysokým tepelným vodivost. Na základě vynikající elektrické vodivosti a vysoké tepelné vodivosti mědi byl jako podkladový materiál pro elektronické obaly vyvinut kompozitní materiál diamant/měď a bylo potvrzeno, že kompozitní materiál diamant/měď má dobré pokovování a pájitelnost, což splňuje požadavky elektronických materiály obalových substrátů vyžadují nízký koeficient tepelné roztažnosti a vysokou tepelnou vodivost a ve srovnání se slitinami Mo/Cu mají nižší hustotu a nižší hmotnost.

 

Proto lze pro balení čipů použít kompozity diamant/měď s diamantem jako vyztužující fází a mědí jako materiálem matrice, což může zlepšit výkon systémů elektronických zařízení a pomoci snížit hmotnost zařízení.

S neustálým zlepšováním technických problémů v materiálech, zařízeních atd. se diamant stal podkladovým materiálem s vysokou tepelnou vodivostí a dobrým odvodem tepla. Má široké uplatnění v prostředí s vyšší teplotou. Nejlepší polovodičový materiál pro zařízení s hustotou výkonu, jeho obrovský potenciál láká stále více výzkumníků, aby se mu věnovali. Potenciál diamantu bude postupně rozvíjen, aby vyhovoval potřebám budoucího polovodičového průmyslu a zaujal místo v polovodičových elektronických obalových materiálech.