U eri 5G, mogu li dijamant/metalni kompoziti spasiti pregrijane poluvodičke uređaje?

S brzim razvojem elektronske tehnologije, komunikacijska tehnologija je postepeno ušla u eru 5G. Dok se poluvodički materijali stalno ažuriraju, integrirana kola se također kreću u smjeru velikih razmjera, visoke integracije i velike snage. Primena širokopojasnih poluprovodničkih materijala predstavljenih SiC i GaN dovela je do brzog razvoja bipolarnih tranzistora sa izolovanim vratima (IGBT), što otvara novu situaciju za novu generaciju informacionih tehnologija.

Velika snaga i velika gustina struje su trend razvoja IGBT čipova, koji će neminovno uzrokovati pregrijavanje elektronskih komponenti. Podaci istraživanja pokazuju da kada temperatura površine čipa dostigne 70-80°C, pouzdanost čipa opada za 5% za svaki porast temperature od 1°C. Više od 55% načina kvara elektronskih uređaja uzrokovano je previsokom temperaturom. Da bi se riješio problem odvođenja topline, pored usvajanja efikasnije tehnologije hlađenja, hitno je razviti nove lagane elektronske materijale za pakovanje s toplotnom provodljivošću većom od 400W/(m·K) i koeficijentom ekspanzije koji odgovara poluvodičkom materijalu. Kao nova vrsta elektronskog materijala za pakovanje, kompozitni materijali dijamant/metal postepeno su se preselili u središte pozornice nakon više od deset godina istraživanja i razvoja, i visoko se očekuju.

Dijamant ima odlične performanse kao što su velika zabranjena širina pojasa, visoka tvrdoća i toplotna provodljivost, velika brzina drifta zasićenja elektrona, otpornost na visoke temperature, otpornost na koroziju i otpornost na zračenje. Koristi se u visokonaponskoj i visokoefikasnoj energetskoj elektronici, mikroelektronici visoke frekvencije i velike snage, optoelektronici dubokog ultraljubičastog zračenja i drugim poljima imaju izuzetno važne izglede za primjenu. Dijamant ima najveću toplotnu provodljivost (2200W/(m·K)) među trenutno poznatim prirodnim supstancama, koja je 4 puta veća od silicijum karbida (SiC), 13 puta veća od silicijuma (Si) i veća od galij arsenida (GaAs) ) Veći je 43 puta, što je 4 do 5 puta više od bakra i srebra. Trenutno, dijamant/metal kompozitni materijali koji raspršuju toplinu obećavaju.

Dijamant je kubni kristal, nastao kovalentnim vezom atoma ugljika. Mnoga ekstremna svojstva dijamanta su direktan rezultat snage sp³ kovalentne veze koja formira krutu strukturu i mali broj atoma ugljika. Metal provodi toplotu kroz slobodne elektrone, a njegova visoka toplotna provodljivost povezana je sa visokom električnom provodljivošću. Nasuprot tome, provodljivost toplote u dijamantu se postiže samo vibracijama rešetke (tj. fononima). Izuzetno jake kovalentne veze između atoma dijamanata čine da kruta kristalna rešetka ima visoku frekvenciju vibracija, tako da je njena Debye karakteristična temperatura čak 2220K. Budući da je većina primjena mnogo niža od Debajeve temperature, raspršenje fonona je malo, tako da je otpor toplotne provodljivosti sa fononom kao medijumom izuzetno mali. Ali svaki defekt rešetke će proizvesti raspršivanje fonona, čime se smanjuje toplinska provodljivost, što je svojstvena karakteristika svih kristalnih materijala.

Toplotna provodljivost dijamant/bakar kompozitnih materijala uglavnom je ograničena postupkom dizajna i pripreme interfejsa kompozitnog materijala, posebno intrinzičnom toplotnom provodljivošću bakrene matrice, dijamanta, zapreminskog udela dijamanta, veličine čestica i poboljšanja interfejs između njih To je takođe posebno važno. Općenito, dijamant sa potpunim kristalnim oblikom, niskim sadržajem dušika, veličine 100-500 um koristi se kao ojačavajuća faza kompozitnog materijala kako bi se spriječilo da se površina transformira u fazu sličnu grafitu, povećala zapreminski udio dijamanta u kompozitu materijala i pomaže u dobijanju visokokvalitetnog kompozitnog materijala dijamanta/bakra.

Suočeni sa poluvodičkim komponentama sa sve većom gustinom snage, vrijedi se radovati da li dijamant/metalni kompozitni materijali mogu postići brzo rasipanje topline.