En la era 5G, ¿pueden los compuestos de diamante / metal salvar los dispositivos semiconductores sobrecalentados?
Con el rápido desarrollo de la tecnología electrónica, la tecnología de la comunicación ha entrado gradualmente en la era 5G. Si bien los materiales semiconductores se actualizan constantemente, los circuitos integrados también se mueven en la dirección de gran escala, alta integración y alta potencia. La aplicación de materiales semiconductores de banda ancha representada por SiC y GaN ha llevado al rápido desarrollo de transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), lo que abre una nueva situación para una nueva generación de tecnología de la información.
La alta potencia y la alta densidad de corriente son la tendencia de desarrollo de los chips IGBT, que inevitablemente provocarán el sobrecalentamiento de los componentes electrónicos. Los datos de investigación muestran que cuando la temperatura de la superficie del chip alcanza los 70-80 ° C, la confiabilidad del chip disminuye en un 5% por cada aumento de 1 ° C en la temperatura. Más del 55% de los modos de falla de los dispositivos electrónicos se deben a una temperatura excesiva. Para resolver el problema de la disipación de calor, además de adoptar una tecnología de enfriamiento más eficiente, es urgente desarrollar nuevos materiales de embalaje electrónicos livianos con una conductividad térmica superior a 400W / (m · K) y un coeficiente de expansión que coincida con el material semiconductor. Como un nuevo tipo de material de embalaje electrónico, los materiales compuestos de diamante / metal se han movido gradualmente al centro del escenario después de más de diez años de investigación y desarrollo, y son muy esperados.
El diamante tiene un rendimiento excelente, como un gran ancho de banda prohibido, alta dureza y conductividad térmica, alta velocidad de deriva de saturación de electrones, resistencia a altas temperaturas, resistencia a la corrosión y resistencia a la radiación. Se utiliza en electrónica de potencia de alto voltaje y alta eficiencia, microelectrónica de alta frecuencia y alta potencia, optoelectrónica ultravioleta profunda y otros campos que tienen perspectivas de aplicación extremadamente importantes. El diamante tiene la conductividad térmica más alta (2200W / (m · K)) entre las sustancias naturales actualmente conocidas, que es 4 veces más grande que el carburo de silicio (SiC), 13 veces más grande que el silicio (Si) y más grande que el arseniuro de galio (GaAs). ) Es 43 veces más grande, que es de 4 a 5 veces más grande que el cobre y la plata. En la actualidad, los materiales compuestos disipadores de calor de diamante / metal son prometedores.
El diamante es un cristal cúbico, formado por enlaces covalentes de átomos de carbono. Muchas de las propiedades extremas del diamante son el resultado directo de la fuerza del enlace covalente sp³ que forma una estructura rígida y una pequeña cantidad de átomos de carbono. El metal conduce el calor a través de electrones libres y su alta conductividad térmica está asociada con una alta conductividad eléctrica. Por el contrario, la conducción de calor en el diamante solo se logra mediante vibraciones reticulares (es decir, fonones). Los enlaces covalentes extremadamente fuertes entre los átomos de diamante hacen que la red cristalina rígida tenga una alta frecuencia de vibración, por lo que su temperatura característica de Debye es tan alta como 2220K. Dado que la mayoría de las aplicaciones son mucho más bajas que la temperatura de Debye, la dispersión del fonón es pequeña, por lo que la resistencia a la conducción de calor con el fonón como medio es extremadamente pequeña. Pero cualquier defecto de la red producirá una dispersión de fonones, lo que reducirá la conductividad térmica, que es una característica inherente de todos los materiales cristalinos.
La conductividad térmica de los materiales compuestos de diamante / cobre está limitada principalmente por el proceso de diseño y preparación de la interfaz del material compuesto, específicamente la conductividad térmica intrínseca de la matriz de cobre, el diamante, la fracción de volumen del diamante, el tamaño de partícula y la mejora del interfaz entre los dos También es particularmente importante. Generalmente, el diamante con una forma cristalina completa, bajo contenido de nitrógeno, tamaño de 100-500 um se utiliza como fase de refuerzo del material compuesto para evitar que la superficie se transforme en una fase similar al grafito, aumentar la fracción de volumen de diamante en el compuesto. material y ayudar a obtener material compuesto de diamante / cobre de alta calidad.
Frente a los componentes semiconductores con una densidad de potencia cada vez mayor, vale la pena ver si los materiales compuestos de diamante / metal pueden lograr una rápida disipación de calor.
