5G çağında elmas/metal kompozitler aşırı ısınmış yarı iletken cihazlardan tasarruf sağlayabilir mi?

Elektronik teknolojisinin hızlı gelişimi ile iletişim teknolojisi yavaş yavaş 5G çağına girmiştir. Yarı iletken malzemeler sürekli güncellenirken, entegre devreler de büyük ölçekli, yüksek entegrasyon ve yüksek güç yönünde hareket etmektedir. SiC ve GaN tarafından temsil edilen geniş bant aralıklı yarı iletken malzemelerin uygulanması, yeni nesil bilgi teknolojisi için yeni bir durum açan yalıtılmış kapılı bipolar transistörlerin (IGBT'ler) hızla gelişmesine yol açmıştır.

Yüksek güç ve yüksek akım yoğunluğu, kaçınılmaz olarak elektronik bileşenlerin aşırı ısınmasına neden olacak olan IGBT çiplerinin gelişme eğilimidir. Araştırma verileri, çip yüzey sıcaklığı 70-80°C'ye ulaştığında, sıcaklıktaki her 1°C'lik artışta çipin güvenilirliğinin %5 oranında azaldığını göstermektedir. Elektronik cihazların arıza modlarının %55'inden fazlası aşırı sıcaklıktan kaynaklanmaktadır. Isı yayılımı problemini çözmek için, daha verimli soğutma teknolojisini benimsemenin yanı sıra, 400W/(m·K)'den daha büyük bir termal iletkenliğe ve yarı iletken malzemeyle eşleşen bir genleşme katsayısına sahip yeni hafif elektronik ambalaj malzemelerinin geliştirilmesi acildir. Yeni bir elektronik ambalaj malzemesi türü olarak, elmas/metal kompozit malzemeler, on yılı aşkın araştırma ve geliştirmeden sonra yavaş yavaş sahnenin merkezine taşındı ve büyük ölçüde bekleniyor.

Elmas, geniş yasak bant genişliği, yüksek sertlik ve termal iletkenlik, yüksek elektron doygunluğu sürüklenme hızı, yüksek sıcaklık direnci, korozyon direnci ve radyasyon direnci gibi mükemmel performansa sahiptir. Yüksek voltajlı ve yüksek verimli güç elektroniği, yüksek frekanslı ve yüksek güçlü mikroelektronik, derin Ultraviyole optoelektronik ve diğer alanlarda kullanılır, son derece önemli uygulama beklentilerine sahiptir. Elmas, silisyum karbürden (SiC) 4 kat, silisyumdan (Si) 13 kat daha büyük ve galyum arsenitten (GaAs) daha büyük olan, şu anda bilinen doğal maddeler arasında en yüksek termal iletkenliğe (2200W/(m·K)) sahiptir. ) Bakır ve gümüşün 4 ila 5 katı olan 43 kat daha büyüktür. Şu anda, elmas/metal ısı yayan kompozit malzemeler umut vericidir.

Elmas, karbon atomlarının kovalent bağlanmasıyla oluşan kübik bir kristaldir. Elmasın uç özelliklerinin çoğu, sert bir yapı ve az sayıda karbon atomu oluşturan sp³ kovalent bağ gücünün doğrudan sonucudur. Metal, ısıyı serbest elektronlar aracılığıyla iletir ve yüksek termal iletkenliği, yüksek elektrik iletkenliği ile ilişkilidir. Buna karşılık, elmastaki ısı iletimi yalnızca kafes titreşimleri (yani fononlar) ile sağlanır. Elmas atomları arasındaki son derece güçlü kovalent bağlar, katı kristal kafesin yüksek bir titreşim frekansına sahip olmasını sağlar, bu nedenle Debye karakteristik sıcaklığı 2220K kadar yüksektir. Çoğu uygulama Debye sıcaklığından çok daha düşük olduğundan, fonon saçılması küçüktür, bu nedenle ortam olarak fonon ile ısı iletim direnci son derece küçüktür. Ancak herhangi bir kafes kusuru, fonon saçılması üretecek ve böylece tüm kristal malzemelerin doğal bir özelliği olan termal iletkenliği azaltacaktır.

Elmas/bakır kompozit malzemelerin termal iletkenliği, esas olarak kompozit malzeme arayüzünün tasarım ve hazırlama süreci, özellikle bakır matrisin, elmasın içsel termal iletkenliği, elmasın hacim fraksiyonu, parçacık boyutu ve iyileştirme ile sınırlıdır. ikisi arasındaki arayüz Aynı zamanda özellikle önemlidir. Genel olarak, tam kristal formlu, düşük nitrojen içerikli, 100-500 um boyutunda elmas, yüzeyin grafit benzeri bir faza dönüşmesini önlemek, kompozitteki elmasın hacim fraksiyonunu artırmak için kompozit malzemenin takviye aşaması olarak kullanılır. malzeme ve yüksek kaliteli elmas/Bakır kompozit malzeme elde etmeye yardımcı olur.

Sürekli artan güç yoğunluğuna sahip yarı iletken bileşenler karşısında, elmas/metal kompozit malzemelerin hızlı ısı yayılımı sağlayıp sağlayamayacağını dört gözle beklemeye değer.