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
Traditionelle Verpackungsmaterialien umfassen 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 jedoch die Anwendungsmöglichkeiten 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 vereinen.
| 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 (Mohshärte 10), besitzt außerdem 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 Fertigungsmethoden
Zu den gängigen Verfahren zur Herstellung von Diamant/Kupfer gehören: Pulvermetallurgie, Hochtemperatur- und Hochdruckverfahren, Schmelzimmersionsverfahren, Plasmasinterverfahren, 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 Massen/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. Dieses Verfahren ist zwar kostengünstig und einfach, führt jedoch zu begrenzter Dichte, inhomogenen Mikrostrukturen und eingeschränkten Probenabmessungen.
SInternierungseinheit
(1)Hochdruck-Hochtemperatur (HPHT)
Mithilfe von Mehrstempelpressen dringt geschmolzenes Kupfer 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-Presse
(1)Schmelzinfiltration
Geschmolzenes Kupfer dringt durch druck- oder kapillargetriebene Infiltration in Diamantvorformen ein. 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 Substrate aufgebracht. Dieses neuartige Verfahren ist mit Herausforderungen hinsichtlich der Oberflächengüte und der Validierung der thermischen Leistungsfähigkeit 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. Die Nichtbenetzung an der Grenzfläche zwischen Diamant und Kupfer führt zu einem sehr hohen thermischen Widerstand. Daher ist es äußerst wichtig, die Grenzfläche mit verschiedenen technischen Mitteln zu modifizieren. Derzeit gibt es hauptsächlich zwei Methoden zur Verbesserung der Grenzflächenproblematik zwischen Diamant und Kupfermatrix: (1) Oberflächenmodifizierung von Diamant; (2) Legierungsbehandlung der Kupfermatrix.
Schematische Darstellung der Modifikation: (a) Direkte Beschichtung der Diamantoberfläche; (b) Matrixlegierung
(1) Oberflächenmodifizierung von Diamant
Das Aufbringen aktiver Elemente wie Mo, Ti, W und Cr auf die Oberflächenschicht der Verstärkungsphase kann die Grenzflächeneigenschaften von Diamant verbessern und so seine Wärmeleitfähigkeit erhöhen. Durch Sintern können die oben genannten Elemente mit dem Kohlenstoff an 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. Die Dotierung der Kupfermatrix mit aktiven Elementen reduziert nicht nur effektiv den Benetzungswinkel zwischen Diamant und Kupfer, sondern erzeugt auch eine Karbidschicht, die nach der Reaktion an der Diamant-Cu-Grenzfläche in der Kupfermatrix fest löslich ist. Dadurch 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 optimal 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-plattiertes Laminat-Verbundmaterial:
Veröffentlichungszeit: 12. Mai 2025