Primjena dijamanta u novim podlogama za elektroničko pakiranje

Suvremena tehnologija mikroelektronike ubrzano se razvija, a elektronički sustavi i oprema razvijaju se u smjeru integracije velikih razmjera, minijaturizacije, visoke učinkovitosti i visoke pouzdanosti. Povećanje integracije elektroničkih sustava dovest će do povećanja gustoće snage, kao i povećanja topline koju generiraju elektroničke komponente i cjelokupni rad sustava. Stoga učinkovito pakiranje mora riješiti problem rasipanja topline elektroničkih sustava.

Dobro odvođenje topline uređaja ovisi o optimiziranom dizajnu strukture za odvođenje topline, izboru materijala za pakiranje (materijal za toplinsko sučelje i supstrat za odvođenje topline) i procesu proizvodnje pakiranja. Među njima, odabir materijala podloge ključna je karika, koja izravno utječe na cijenu, performanse i pouzdanost uređaja. Općenito govoreći, primjena materijala za elektroničko pakiranje treba uzeti u obzir dva osnovna zahtjeva za performanse. Prvi je visoka toplinska vodljivost za postizanje brzog prijenosa topline i osiguravanje stabilnog rada čipa u idealnim temperaturnim uvjetima; u isto vrijeme, materijal za pakiranje mora biti pouzdan. Podesivi koeficijent toplinske ekspanzije, kako bi se uskladio s čipom i svim razinama materijala za pakiranje, i smanjio negativne učinke toplinskog stresa. Razvojni put elektroničkih materijala za pakiranje je stalno poboljšanje i optimizacija ova dva svojstva.

 

Naravno, novi materijali supstrata za pakiranje također moraju uzeti u obzir druga svojstva, kao što su visoka otpornost, niska dielektrična konstanta, dielektrični gubitak, dobro toplinsko podudaranje sa silicijem i galijevim arsenidom, visoka ravnost površine, dobra mehanička svojstva i jednostavnost industrijske proizvodnje i druge karakteristike , tako da je izbor novih materijala za supstrat pakiranja vruća točka za istraživanje i razvoj u raznim zemljama. Trenutačno nekoliko često korištenih supstrata za pakiranje uključuju Al2O3 keramiku, SiC keramiku, AlN i druge materijale.

 

Već 1929. godine njemačka tvrtka Siemens uspješno je razvila keramiku Al2O3, ali koeficijent toplinske ekspanzije i dielektrična konstanta Al2O3 viši su od monokristala Si, a toplinska vodljivost nije dovoljno visoka, tako da keramičke podloge Al2O3 nisu prikladne za visoke frekvencija, velika snaga, koristi se u VLSI.

 

Nakon toga, keramički supstratni materijali visoke toplinske vodljivosti SiC, AlN, SI3N4 i dijamant postupno su ušli na tržište.

Toplinska vodljivost SiC keramike je vrlo visoka, a što je veća čistoća kristalizacije SiC, veća je toplinska vodljivost; najveći nedostatak SiC-a je da je dielektrična konstanta previsoka, a dielektrična čvrstoća niska, tako da ograničava njegovu visokofrekventnu primjenu i prikladan je samo za pakiranje male gustoće.

 

Materijal AlN ima izvrsna dielektrična svojstva i stabilna kemijska svojstva, posebno njegov koeficijent toplinske ekspanzije odgovara koeficijentu silicija, tako da se može koristiti kao poluvodički materijal supstrata za pakiranje s velikim izgledima za razvoj. Međutim, toplinska vodljivost je niska, a kako ambalaža poluvodiča ima sve veće zahtjeve za rasipanje topline, AlN materijali također imaju određeno usko grlo u razvoju.

 

Na kraju se istaknuo dijamant. Dijamant ima vrlo dobra sveobuhvatna termofizička svojstva. Njegova toplinska vodljivost na sobnoj temperaturi iznosi {{0}}W/(m·K), a koeficijent toplinskog širenja 0,8×10-6/K. Ima veliki potencijal u poluvodičima, optici itd. Mnogo izvrsnih svojstava, ali jedan dijamant nije lako napraviti u materijale za pakiranje, a cijena je visoka.

 

Prema pravilu miješanja, očekuje se da će kompozit dijamant/metal matrica pripremljen dodavanjem dijamantnih čestica u Ag, Cu, Al i druge metalne matrice visoke toplinske vodljivosti postati nova vrsta materijala za elektroničko pakiranje s niskim koeficijentom toplinske ekspanzije i visokom toplinskom provodljivost. Na temelju izvrsne električne vodljivosti i visoke toplinske vodljivosti bakra, kompozitni materijal dijamant/bakar razvijen je kao supstratni materijal za elektroničko pakiranje, te je potvrđeno da kompozitni materijal dijamant/bakar ima dobru prevlaku i sposobnost lemljenja, što zadovoljava elektroničke standarde materijali supstrata za pakiranje zahtijevaju nizak koeficijent toplinskog širenja i visoku toplinsku vodljivost, au usporedbi s legurama Mo/Cu imaju nižu gustoću i manju težinu.

 

Stoga se kompoziti dijamant/bakar s dijamantom kao fazom za pojačanje i bakrom kao materijalom matrice mogu koristiti za pakiranje čipova, što može poboljšati performanse sustava elektroničke opreme i pomoći u smanjenju težine opreme.

Uz kontinuirano poboljšanje tehničkih problema u materijalima, uređajima itd., dijamant je postao supstratni materijal s visokom toplinskom vodljivošću i dobrom disipacijom topline. Ima široke izglede za primjenu u okruženjima viših temperatura. Najbolji poluvodički materijal za uređaje za mjerenje gustoće snage, njegov ogroman potencijal privlači sve više i više istraživača da mu se posvete. Potencijal dijamanta postupno će se razvijati kako bi zadovoljio potrebe buduće poluvodičke industrije i zauzeo mjesto u poluvodičkim materijalima za elektroničko pakiranje.