Kan diamant-/metalkompositter i 5G-æraen redde overophedede halvlederenheder?
Med den hurtige udvikling af elektronisk teknologi er kommunikationsteknologien gradvist gået ind i 5G-æraen. Mens halvledermaterialerne konstant opdateres, bevæger integrerede kredsløb sig også i retning af storskala, højintegration og højeffekt. Anvendelsen af halvledermaterialer med bred båndgab repræsenteret af SiC og GaN har ført til den hurtige udvikling af isolerede gate bipolære transistorer (IGBT'er), som åbner en ny situation for en ny generation af informationsteknologi.
Høj effekt og høj strømtæthed er udviklingstendensen for IGBT-chips, som uundgåeligt vil forårsage overophedning af elektroniske komponenter. Forskningsdata viser, at når spånoverfladetemperaturen når 70-80°C, falder chippens pålidelighed med 5% for hver 1°C temperaturstigning. Mere end 55% af fejltilstande af elektroniske enheder er forårsaget af for høj temperatur. For at løse varmeafledningsproblemet er det, ud over at anvende mere effektiv køleteknologi, påtrængende at udvikle nye lette elektroniske emballagematerialer med en termisk ledningsevne større end 400W/(m·K) og en udvidelseskoefficient, der matcher halvledermaterialet. Som en ny type elektronisk emballagemateriale er diamant/metal-kompositmaterialer gradvist flyttet til midten af scenen efter mere end ti års forskning og udvikling, og det forventes meget.
Diamant har fremragende ydeevne såsom stor forbudt båndbredde, høj hårdhed og termisk ledningsevne, høj elektronmætningsdrifthastighed, høj temperaturbestandighed, korrosionsbestandighed og strålingsmodstand. Det bruges i højspændings- og højeffektiv effektelektronik, højfrekvent og højeffektmikroelektronik, dyb ultraviolet optoelektronik og andre områder har ekstremt vigtige anvendelsesmuligheder. Diamant har den højeste varmeledningsevne (2200W/(m·K)) blandt de i dag kendte naturlige stoffer, som er 4 gange større end siliciumcarbid (SiC), 13 gange større end silicium (Si) og større end galliumarsenid (GaAs) ) Den er 43 gange større, hvilket er 4 til 5 gange så stor som kobber og sølv. På nuværende tidspunkt er diamant/metal varmeafledende kompositmaterialer lovende.
Diamant er en kubisk krystal, dannet ved kovalent binding af kulstofatomer. Mange af de ekstreme egenskaber ved diamant er det direkte resultat af sp³ kovalente bindingsstyrke, der danner en stiv struktur og et lille antal kulstofatomer. Metal leder varme gennem frie elektroner, og dets høje termiske ledningsevne er forbundet med høj elektrisk ledningsevne. I modsætning hertil opnås varmeledning i diamant kun af gittervibrationer (dvs. fononer). De ekstremt stærke kovalente bindinger mellem diamantatomer gør, at det stive krystalgitter har en høj vibrationsfrekvens, så dens Debye karakteristiske temperatur er så høj som 2220K. Da de fleste applikationer er meget lavere end Debye-temperaturen, er fononspredningen lille, så varmeledningsmodstanden med fononen som medium er ekstrem lille. Men enhver gitterdefekt vil producere fononspredning og derved reducere den termiske ledningsevne, som er en iboende egenskab for alle krystalmaterialer.
Den termiske ledningsevne af diamant/kobber-kompositmaterialer er hovedsageligt begrænset af design- og forberedelsesprocessen for kompositmaterialegrænsefladen, specifikt den iboende varmeledningsevne af kobbermatrixen, diamanten, volumenfraktionen af diamant, partikelstørrelsen og forbedringen af grænseflade mellem de to Det er også særligt vigtigt. Generelt bruges diamant med en komplet krystalform, lavt nitrogenindhold, 100-500 um størrelse som forstærkende fase af kompositmaterialet for at forhindre overfladen i at omdannes til en grafitlignende fase, øge volumenfraktionen af diamant i kompositmaterialet materiale, og hjælpe med at opnå højkvalitets diamant/kobber kompositmateriale.
Over for halvlederkomponenter med stadigt stigende effekttæthed er det værd at se frem til, om diamant/metal kompositmaterialer kan opnå hurtig varmeafledning.
