יישום של יהלום במצעי אריזה אלקטרוניים חדשים

טכנולוגיית המיקרו-אלקטרוניקה המודרנית מתפתחת במהירות, ומערכות וציוד אלקטרוני מתפתחים לכיוון של אינטגרציה בקנה מידה גדול, מזעור, יעילות גבוהה ואמינות גבוהה. הגידול באינטגרציה של מערכות אלקטרוניות יוביל להגברת צפיפות ההספק, כמו גם להגברת החום הנוצר על ידי רכיבים אלקטרוניים ולפעולה הכוללת של המערכת. לכן, אריזה יעילה חייבת לפתור את בעיית פיזור החום של מערכות אלקטרוניות.

פיזור חום טוב של המכשיר תלוי בתכנון אופטימלי של פיזור חום, בחירת חומרי אריזה (חומר ממשק תרמי ומצע פיזור חום), ותהליך ייצור האריזה. ביניהם, בחירת חומר המצע מהווה חוליה מרכזית, המשפיעה ישירות על העלות, הביצועים והאמינות של המכשיר. באופן כללי, היישום של חומרי אריזה אלקטרוניים צריך לשקול שתי דרישות ביצועים בסיסיות. הראשון הוא מוליכות תרמית גבוהה כדי להשיג העברת חום מהירה ולהבטיח שהשבב יכול לעבוד ביציבות בתנאי טמפרטורה אידיאליים; יחד עם זאת, חומר האריזה צריך להיות אמין. מקדם התפשטות תרמית מתכוונן, כדי לשמור על התאמה לשבב ולכל רמות חומרי האריזה, ולהפחית את ההשפעות השליליות של מתח תרמי. מסלול הפיתוח של חומרי אריזה אלקטרוניים הוא שיפור מתמיד ואופטימיזציה של שני המאפיינים הללו.

 

כמובן, חומרי מצע אריזה חדשים צריכים לקחת בחשבון גם תכונות אחרות, כגון התנגדות גבוהה, קבוע דיאלקטרי נמוך, אובדן דיאלקטרי, התאמה תרמית טובה עם סיליקון וגאליום ארסניד, שטוחות פני שטח גבוהה, תכונות מכניות טובות וקלות ייצור תעשייתי ומאפיינים אחרים. , כך שהבחירה של חומרי מצע לאריזה חדשים היא נקודה חמה למחקר ופיתוח במדינות שונות. כיום, מספר מצעי אריזה נפוצים כוללים קרמיקה Al2O3, קרמיקה SiC, AlN וחומרים אחרים.

 

כבר בשנת 1929, חברת סימנס הגרמנית פיתחה בהצלחה קרמיקה Al2O3, אך מקדם ההתפשטות התרמית והקבוע הדיאלקטרי של Al2O3 גבוהים מאלה של גבישי Si בודדים, והמוליכות התרמית אינה גבוהה מספיק, ולכן מצעים קרמיים Al2O3 אינם מתאימים למצעים גבוהים. תדר, כוח גדול, בשימוש ב-VLSI.

 

בעקבות זאת, חומרי מצע קרמיים עם מוליכות תרמית גבוהה SiC, AlN, SI3N4 ויהלום נכנסו בהדרגה לשוק.

המוליכות התרמית של קרמיקה SiC גבוהה מאוד, וככל שהטוהר של התגבשות SiC גבוהה יותר, המוליכות התרמית גבוהה יותר; החיסרון הגדול ביותר של SiC הוא שהקבוע הדיאלקטרי גבוה מדי והחוזק הדיאלקטרי נמוך, כך שהוא מגביל את יישומי התדר הגבוה שלו ומתאים רק לאריזה בצפיפות נמוכה.

 

לחומר AlN תכונות דיאלקטריות מצוינות ותכונות כימיות יציבות, במיוחד מקדם ההתפשטות התרמית שלו תואם לזה של סיליקון, כך שניתן להשתמש בו כחומר מצע לאריזה מוליכים למחצה עם סיכויי פיתוח גדולים. עם זאת, המוליכות התרמית נמוכה, ומכיוון שלאריזה של מוליכים למחצה יש דרישות גבוהות יותר ויותר לפיזור חום, לחומרי AlN יש גם צוואר בקבוק מסוים בפיתוח.

 

בסופו של דבר, היהלום בלט. ליהלום יש תכונות תרמופיזיות מקיפות טובות מאוד. המוליכות התרמית שלו בטמפרטורת החדר היא {{0}}W/(m·K), ומקדם ההתפשטות התרמית שלו הוא 0.8×10-6/K. יש לו פוטנציאל גדול במוליכים למחצה, אופטיקה וכו'. הרבה תכונות מצוינות, אבל יהלום בודד לא קל להפוך לחומרי אריזה, והעלות גבוהה.

 

על פי כלל הערבוב, חומר המרוכב של מטריצת יהלום/מתכת שהוכן על ידי הוספת חלקיקי יהלום לתוך Ag, Cu, Al ומטריצת מתכת אחרת עם מוליכות תרמית גבוהה צפוי להפוך לסוג חדש של חומרי אריזה אלקטרוניים עם מקדם התפשטות תרמית נמוך וגם תרמית גבוהה מוֹלִיכוּת. בהתבסס על המוליכות החשמלית המצוינת והמוליכות התרמית הגבוהה של נחושת, פותח חומר מרוכב יהלום/נחושת כחומר מצע לאריזה אלקטרונית, ואושר כי לחומר המרוכב היהלום/נחושת יש ציפוי והלחמה טובים, העומדים בתקן האלקטרוני. חומרי מצע לאריזה דורשים מקדם התפשטות תרמית נמוך ומוליכות תרמית גבוהה, ובהשוואה לסגסוגות Mo/Cu, יש להם צפיפות נמוכה יותר ומשקל קל יותר.

 

לכן, יהלום/נחושת מרוכבים עם יהלום כשלב החיזוק ונחושת כחומר המטריצה ​​ניתן להשתמש בחומרים לאריזת שבבים, מה שיכול לשפר את הביצועים של מערכות ציוד אלקטרוני ולעזור להפחית את משקל הציוד.

עם שיפור מתמיד של בעיות טכניות בחומרים, מכשירים וכו', היהלום הפך לחומר מצע בעל מוליכות תרמית גבוהה ופיזור חום טוב. יש לו סיכויי יישום רחבים בסביבות טמפרטורות גבוהות יותר. החומר המוליך למחצה הטוב ביותר עבור התקני צפיפות הספק, הפוטנציאל העצום שלו מושך יותר ויותר חוקרים להתמסר לו. הפוטנציאל של היהלום יפותח בהדרגה כדי לענות על הצרכים של תעשיית המוליכים למחצה העתידית ולתפוס מקום בחומרי אריזה אלקטרוניים מוליכים למחצה.