Seit den 1980er Jahren hat die Integrationsdichte elektronischer Schaltungen jährlich um das 1,5-Fache oder schneller zugenommen. Höhere Integration führt zu höheren Stromdichten und stärkerer Wärmeentwicklung im Betrieb.Wird diese Wärme nicht effizient abgeführt, kann dies zu thermischen Ausfällen führen und die Lebensdauer elektronischer Bauteile verkürzen.
Um den steigenden Anforderungen an das Wärmemanagement gerecht zu werden, werden fortschrittliche elektronische Gehäusematerialien mit überlegener Wärmeleitfähigkeit intensiv 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 ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Halbleiter auf, besitzen eine gute chemische Stabilität und eine moderate Wärmeleitfähigkeit. Ihre aufwendige Verarbeitung, die hohen Kosten (insbesondere bei toxischem BeO) und ihre Sprödigkeit schränken jedoch ihre Anwendungsmöglichkeiten ein. Kunststoffverpackungen bieten niedrige Kosten, geringes Gewicht und gute Isolierung, weisen aber eine geringe Wärmeleitfähigkeit und Instabilität bei hohen Temperaturen auf. Reine Metalle (Cu, Ag, Al) besitzen eine hohe Wärmeleitfähigkeit, aber einen zu hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten, während Legierungen (Cu-W, Cu-Mo) die Wärmeleistung beeinträchtigen. Daher besteht ein dringender Bedarf an neuen Verpackungsmaterialien, die ein ausgewogenes Verhältnis zwischen hoher Wärmeleitfähigkeit und optimalem Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
| Verstärkung | Wärmeleitfähigkeit (W/(m·K)) | CTE (×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-Whiskers | 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 außergewöhnliche EigenschaftenWärmeleitfähigkeit (200–2200 W/(m·K)).
Diamant-Mikropulver
Kupfer, mit hohe thermische/elektrische Leitfähigkeit (401 W/(m·K))Aufgrund seiner Duktilität und Kosteneffizienz wird es häufig in integrierten Schaltungen eingesetzt.
Durch die Kombination dieser Eigenschaften,Diamant/Kupfer (Dia/Cu)-Verbundwerkstoffe—mit Kupfer als Matrix und Diamant als Verstärkung — etablieren sich als Wärmemanagementmaterialien der nächsten Generation.
02 Wichtige Fertigungsmethoden
Zu den gängigen Verfahren zur Herstellung von Diamant/Kupfer gehören: Pulvermetallurgie, Hochtemperatur-Hochdruckverfahren, Schmelztauchverfahren, Entladungsplasmasintern, Kaltspritzverfahren usw.
Vergleich verschiedener Herstellungsverfahren, Prozesse und Eigenschaften von Diamant/Kupfer-Kompositen mit Einzelpartikelgröße
| Parameter | Pulvermetallurgie | Vakuum-Heißpressen | Funkenplasmasintern (SPS) | Hochdruck-Hochtemperatur (HPHT) | Kaltspritzbeschichtung | Schmelzinfiltration |
| Diamantenart | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | PDA | MBD8/HHD |
| Matrix | 99,8%iges Kupferpulver | 99,9%iges elektrolytisches Kupferpulver | 99,9%iges Kupferpulver | Legierungs-/Reinkupferpulver | Reines Kupferpulver | Reines Kupfer (Bulk/Stangen) |
| Schnittstellenmodifikation | – | – | – | 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-/Kupferpulver werden verdichtet und gesintert. Obwohl dieses Verfahren kostengünstig und einfach ist, führt es zu begrenzter Dichte, inhomogenen Mikrostrukturen und eingeschränkten Probenabmessungen.
SEinbettungseinheit
(1)Hochdruck-Hochtemperatur (HPHT)
Mithilfe von Mehrstempelpressen dringt geschmolzenes Kupfer unter extremen Bedingungen in Diamantgitter ein und erzeugt so dichte Verbundwerkstoffe. Allerdings erfordert das HPHT-Verfahren teure Formen und ist für die Massenproduktion ungeeignet.
Cubic press
(1)Schmelzinfiltration
Geschmolzenes Kupfer durchdringt Diamantvorformlinge mittels druckunterstützter oder kapillarinduzierter Infiltration. Die resultierenden Verbundwerkstoffe erreichen eine Wärmeleitfähigkeit von >446 W/(m·K).
(2)Funkenplasmasintern (SPS)
Gepulster Strom sintert Pulvermischungen unter Druck schnell. Obwohl das SPS-Verfahren effizient ist, verschlechtert sich seine Leistung bei Diamantanteilen über 65 Vol.-%.
Schematische Darstellung des Entladungsplasmasintersystems
(5) Kaltspritzbeschichtung
Pulver werden beschleunigt und auf Substrate aufgebracht. Dieses neue Verfahren steht vor Herausforderungen hinsichtlich der Oberflächenbeschaffenheit und der Validierung der thermischen Leistungsfähigkeit.
03 Schnittstellenmodifikation
Für die Herstellung von Verbundwerkstoffen ist die gegenseitige Benetzung der Komponenten eine notwendige Voraussetzung für den Verbundprozess und ein wichtiger Faktor, der die Grenzflächenstruktur und den Haftzustand beeinflusst. Fehlende Benetzung an der Grenzfläche zwischen Diamant und Kupfer führt zu einem sehr hohen thermischen Grenzflächenwiderstand. Daher ist die Modifizierung der Grenzfläche zwischen den beiden Materialien mittels verschiedener technischer Verfahren von entscheidender Bedeutung. Derzeit gibt es im Wesentlichen zwei Methoden zur Verbesserung der Grenzfläche zwischen Diamant und Kupfermatrix: (1) Oberflächenmodifizierung des Diamanten; (2) Legieren der Kupfermatrix.
Schematische Darstellung der Modifikationen: (a) Direkte Beschichtung auf der Diamantoberfläche; (b) Matrixlegierung
(1) Oberflächenmodifizierung von Diamant
Durch die Beschichtung der Oberflächenschicht der Verstärkungsphase mit aktiven Elementen wie Mo, Ti, W und Cr lassen sich die Grenzflächeneigenschaften von Diamant verbessern und somit dessen Wärmeleitfähigkeit erhöhen. Durch Sintern reagieren diese Elemente mit dem Kohlenstoff auf der Oberfläche des Diamantpulvers und bilden eine Carbid-Übergangsschicht. Dies optimiert die Benetzung zwischen Diamant und Metallbasis, und die Beschichtung verhindert Strukturveränderungen des Diamanten bei hohen Temperaturen.
(2) Legieren der Kupfermatrix
Vor der Verbundwerkstoffverarbeitung wird metallisches Kupfer einer Vorlegierungsbehandlung unterzogen, wodurch Verbundwerkstoffe mit generell hoher Wärmeleitfähigkeit entstehen. Durch das Einbringen aktiver Elemente in die Kupfermatrix wird nicht nur der Benetzungswinkel zwischen Diamant und Kupfer effektiv reduziert, sondern es bildet sich auch eine Carbidschicht, die nach der Reaktion an der Diamant/Kupfer-Grenzfläche fest in der Kupfermatrix löslich ist. Dadurch werden die meisten Lücken an der Materialgrenzfläche modifiziert und aufgefüllt, was die Wärmeleitfähigkeit verbessert.
04 Schlussfolgerung
Herkömmliche Verpackungsmaterialien sind für die Wärmeableitung moderner Chips unzureichend. Dia/Cu-Verbundwerkstoffe mit einstellbarem Wärmeausdehnungskoeffizienten und extrem hoher 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 die Produktion von Diamant/Kupfer-Verbundwerkstoffen und Hochleistungsmetallmatrix-Verbundwerkstoffen wie SiC/Al und Gr/Cu und bietet innovative Wärmemanagementlösungen mit einer Wärmeleitfähigkeit von über 900 W/(m·K) für die Bereiche Elektronikgehäuse, Leistungsmodule und Luft- und Raumfahrt.
XKH's Diamant-Kupfer-beschichteter Laminat-Verbundwerkstoff:
Veröffentlichungsdatum: 12. Mai 2025