Seit den 1980er Jahren steigt die Integrationsdichte elektronischer Schaltungen jährlich um das 1,5-Fache oder schneller. Eine höhere Integration führt zu höheren Stromdichten und einer höheren Wärmeentwicklung im Betrieb.Wenn diese Wärme nicht effizient abgeleitet wird, kann sie zu thermischen Ausfällen führen und die Lebensdauer elektronischer Komponenten verkürzen.
Um den steigenden Anforderungen an das Wärmemanagement gerecht zu werden, werden fortschrittliche elektronische Verpackungsmaterialien mit überlegener Wärmeleitfähigkeit umfassend erforscht und optimiert.
Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoff
01 Diamant und Kupfer
Zu den traditionellen Verpackungsmaterialien zählen Keramik, Kunststoffe, Metalle und deren Legierungen. Keramiken wie BeO und AlN weisen einen mit Halbleitern vergleichbaren Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) sowie eine gute chemische Stabilität und eine moderate Wärmeleitfähigkeit auf. Ihre komplexe Verarbeitung, die hohen Kosten (insbesondere das giftige BeO) und ihre Sprödigkeit schränken die Anwendungsmöglichkeiten jedoch ein. Kunststoffverpackungen sind kostengünstig, leicht und isolieren gut, weisen jedoch eine schlechte Wärmeleitfähigkeit und Instabilität bei hohen Temperaturen auf. Reine Metalle (Cu, Ag, Al) weisen eine hohe Wärmeleitfähigkeit, aber einen zu hohen CTE auf, während Legierungen (Cu-W, Cu-Mo) die Wärmeleistung beeinträchtigen. Daher werden dringend neue Verpackungsmaterialien benötigt, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit und einen optimalen CTE in Einklang bringen.
| Verstärkung | Wärmeleitfähigkeit (W/(m·K)) | WAK (×10⁻⁶/℃) | Dichte (g/cm³) |
| Diamant | 700–2000 | 0,9–1,7 | 3,52 |
| BeO-Partikel | 300 | 4.1 | 3.01 |
| AlN-Partikel | 150–250 | 2,69 | 3.26 |
| SiC-Partikel | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| B₄C-Partikel | 29–67 | 4.4 | 2,52 |
| Borfaser | 40 | ~5,0 | 2.6 |
| TiC-Partikel | 40 | 7.4 | 4,92 |
| Al₂O₃-Partikel | 20–40 | 4.4 | 3,98 |
| SiC-Whisker | 32 | 3.4 | – |
| Si₃N₄-Partikel | 28 | 1,44 | 3.18 |
| TiB₂-Partikel | 25 | 4.6 | 4.5 |
| SiO₂-Partikel | 1.4 | <1,0 | 2,65 |
Diamant, das härteste bekannte natürliche Material (Mohs 10), besitzt auch außergewöhnlicheWärmeleitfähigkeit (200–2200 W/(m·K)).
Diamant-Mikropulver
Kupfer, mit hohe thermische/elektrische Leitfähigkeit (401 W/(m·K)), Duktilität und Kosteneffizienz wird in ICs häufig verwendet.
Durch die Kombination dieser EigenschaftenDiamant/Kupfer (Dia/Cu)-Verbundwerkstoffe– mit Cu als Matrix und Diamant als Verstärkung – entwickeln sich zu Wärmemanagementmaterialien der nächsten Generation.
02 Wichtige Herstellungsmethoden
Zu den gängigen Methoden zur Herstellung von Diamant/Kupfer gehören: Pulvermetallurgie, Hochtemperatur- und Hochdruckverfahren, Schmelzimmersionsverfahren, Entladungsplasmasinterverfahren, Kaltspritzverfahren usw.
Vergleich verschiedener Herstellungsmethoden, Prozesse und Eigenschaften von Diamant-/Kupfer-Kompositen mit Einzelpartikelgröße
| Parameter | Pulvermetallurgie | Vakuum-Heißpressen | Funkenplasmasintern (SPS) | Hochdruck-Hochtemperatur (HPHT) | Kaltspritzbeschichtung | Schmelzinfiltration |
| Diamanttyp | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | PDA | MBD8/HHD |
| Matrix | 99,8 % Cu-Pulver | 99,9 % elektrolytisches Cu-Pulver | 99,9 % Cu-Pulver | Legierung/reines Cu-Pulver | Reines Cu-Pulver | Reines Cu in Schüttgut/Stangen |
| Schnittstellenänderung | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Partikelgröße (μm) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Volumenanteil (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| Temperatur (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| Druck (MPa) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| Zeit (min) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Relative Dichte (%) | 98,5 | 99,2–99,7 | – | – | – | 99,4–99,7 |
| Leistung | ||||||
| Optimale Wärmeleitfähigkeit (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
Zu den gängigen Dia/Cu-Verbundtechniken gehören:
(1)Pulvermetallurgie
Gemischte Diamant-/Cu-Pulver werden verdichtet und gesintert. Diese Methode ist zwar kostengünstig und einfach, führt jedoch zu einer begrenzten Dichte, inhomogenen Mikrostrukturen und eingeschränkten Probenabmessungen.
SInternierungseinheit
(1)Hochdruck-Hochtemperatur (HPHT)
Mithilfe von Mehrstempelpressen dringt geschmolzenes Cu unter extremen Bedingungen in Diamantgitter ein und erzeugt dichte Verbundwerkstoffe. HPHT erfordert jedoch teure Formen und ist für die Produktion im großen Maßstab ungeeignet.
Cubic press
(1)Schmelzinfiltration
Geschmolzenes Cu durchdringt Diamantvorformen durch druckunterstützte oder kapillargetriebene Infiltration. Die resultierenden Verbundwerkstoffe erreichen eine Wärmeleitfähigkeit von >446 W/(m·K).
(2)Funkenplasmasintern (SPS)
Gepulster Strom sintert gemischte Pulver unter Druck schnell. Obwohl SPS effizient ist, nimmt die Leistung bei Diamantanteilen >65 Vol.-% ab.
Schematische Darstellung der Entladungsplasmasinteranlage
(5) Kaltspritzabscheidung
Pulver werden beschleunigt und auf Substraten abgeschieden. Dieses neue Verfahren ist mit Herausforderungen bei der Kontrolle der Oberflächenbeschaffenheit und der Validierung der thermischen Leistung verbunden.
03 Schnittstellenmodifikation
Bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen ist die gegenseitige Benetzung der Komponenten eine notwendige Voraussetzung für den Verbundprozess und ein wichtiger Faktor für die Grenzflächenstruktur und den Bindungszustand der Grenzfläche. Die Nichtbenetzung der Grenzfläche zwischen Diamant und Kupfer führt zu einem sehr hohen Wärmewiderstand der Grenzfläche. Daher ist es äußerst wichtig, die Grenzfläche mit verschiedenen technischen Mitteln zu modifizieren. Derzeit gibt es hauptsächlich zwei Methoden, um das Grenzflächenproblem zwischen Diamant und Kupfermatrix zu lösen: (1) Oberflächenmodifizierung des Diamanten; (2) Legierungsbehandlung der Kupfermatrix.
Schematische Darstellung der Modifikation: (a) Direkte Plattierung der Diamantoberfläche; (b) Matrixlegierung
(1) Oberflächenmodifikation von Diamant
Das Aufbringen aktiver Elemente wie Mo, Ti, W und Cr auf die Oberflächenschicht der Verstärkungsphase kann die Grenzflächeneigenschaften des Diamanten verbessern und so seine Wärmeleitfähigkeit erhöhen. Durch Sintern können die oben genannten Elemente mit dem Kohlenstoff auf der Oberfläche des Diamantpulvers reagieren und eine karbidische Übergangsschicht bilden. Dies optimiert die Benetzung zwischen Diamant und Metallbasis, und die Beschichtung kann Strukturveränderungen des Diamanten bei hohen Temperaturen verhindern.
(2) Legieren der Kupfermatrix
Vor der Verbundwerkstoffverarbeitung wird metallisches Kupfer vorlegiert, wodurch Verbundwerkstoffe mit allgemein hoher Wärmeleitfähigkeit entstehen. Durch die Dotierung der Kupfermatrix mit aktiven Elementen kann nicht nur der Benetzungswinkel zwischen Diamant und Kupfer effektiv reduziert werden, sondern auch eine Karbidschicht erzeugt werden, die nach der Reaktion an der Diamant/Cu-Grenzfläche in der Kupfermatrix fest löslich ist. Auf diese Weise werden die meisten Lücken an der Materialgrenzfläche modifiziert und gefüllt, wodurch die Wärmeleitfähigkeit verbessert wird.
04 Fazit
Herkömmliche Verpackungsmaterialien können die Wärme moderner Chips nicht ausreichend ableiten. Dia/Cu-Verbundwerkstoffe mit einstellbarem Wärmeausdehnungskoeffizienten und ultrahoher Wärmeleitfähigkeit stellen eine bahnbrechende Lösung für die Elektronik der nächsten Generation dar.
Als Hightech-Unternehmen, das Industrie und Handel integriert, konzentriert sich XKH auf die Forschung und Entwicklung sowie Produktion von Diamant-/Kupfer-Verbundwerkstoffen und Hochleistungs-Metallmatrix-Verbundwerkstoffen wie SiC/Al und Gr/Cu und bietet innovative Wärmemanagementlösungen mit einer Wärmeleitfähigkeit von über 900 W/(m·K) für die Bereiche elektronische Verpackung, Leistungsmodule und Luft- und Raumfahrt.
XKH's Diamant-Kupfer-beschichtetes Laminat-Verbundmaterial:
Veröffentlichungszeit: 12. Mai 2025