Aplicação de Diamante em Novos Substratos de Embalagens Eletrônicas

A tecnologia microeletrônica moderna está se desenvolvendo rapidamente, e os sistemas e equipamentos eletrônicos estão se desenvolvendo na direção da integração em larga escala, miniaturização, alta eficiência e alta confiabilidade. O aumento na integração de sistemas eletrônicos levará ao aumento da densidade de potência, bem como ao aumento do calor gerado pelos componentes eletrônicos e ao funcionamento geral do sistema. Portanto, uma embalagem eficaz deve resolver o problema de dissipação de calor dos sistemas eletrônicos.

A boa dissipação de calor do dispositivo depende do design otimizado da estrutura de dissipação de calor, da seleção do material de embalagem (material de interface térmica e substrato de dissipação de calor) e do processo de fabricação da embalagem. Entre eles, a seleção do material do substrato é um elo fundamental, que afeta diretamente o custo, o desempenho e a confiabilidade do dispositivo. De um modo geral, a aplicação de materiais de embalagem eletrônica precisa considerar dois requisitos básicos de desempenho. A primeira é a alta condutividade térmica para obter uma rápida transferência de calor e garantir que o chip funcione de forma estável sob condições ideais de temperatura; ao mesmo tempo, o material de embalagem precisa ser confiável. Coeficiente de expansão térmica ajustável, de modo a manter a correspondência com o chip e todos os níveis de materiais de embalagem e reduzir os efeitos adversos do estresse térmico. A trilha de desenvolvimento de materiais de embalagem eletrônica é a melhoria contínua e otimização dessas duas propriedades.

 

Claro, novos materiais de substrato de embalagem também precisam considerar outras propriedades, como alta resistividade, baixa constante dielétrica, perda dielétrica, boa correspondência térmica com silício e arsenieto de gálio, alto nivelamento da superfície, boas propriedades mecânicas e facilidade de produção industrial e outras características , portanto, a seleção de novos materiais de substrato de embalagem é um ponto importante para pesquisa e desenvolvimento em vários países. Atualmente, vários substratos de embalagem comumente usados ​​incluem cerâmica Al2O3, cerâmica SiC, AlN e outros materiais.

 

Já em 1929, a empresa alemã Siemens desenvolveu com sucesso a cerâmica Al2O3, mas o coeficiente de expansão térmica e a constante dielétrica do Al2O3 são maiores do que os dos monocristais de Si, e a condutividade térmica não é alta o suficiente, então os substratos cerâmicos Al2O3 não são adequados para alta frequência, grande potência, usada em VLSI.

 

Depois disso, materiais de substrato cerâmico de alta condutividade térmica SiC, AlN, SI3N4 e diamante gradualmente entraram no mercado.

A condutividade térmica da cerâmica de SiC é muito alta, e quanto maior a pureza da cristalização de SiC, maior a condutividade térmica; a maior desvantagem do SiC é que a constante dielétrica é muito alta e a rigidez dielétrica é baixa, o que limita suas aplicações de alta frequência e é adequado apenas para embalagens de baixa densidade.

 

O material AlN possui excelentes propriedades dielétricas e propriedades químicas estáveis, especialmente seu coeficiente de expansão térmica corresponde ao do silício, de modo que pode ser usado como material de substrato de embalagem de semicondutores com grandes perspectivas de desenvolvimento. No entanto, a condutividade térmica é baixa e, como as embalagens de semicondutores têm requisitos cada vez maiores para dissipação de calor, os materiais AlN também apresentam um certo gargalo de desenvolvimento.

 

No final, o diamante se destacou. O diamante tem propriedades termofísicas abrangentes muito boas. Sua condutividade térmica à temperatura ambiente é {{0}}W/(m·K) e seu coeficiente de expansão térmica é 0,8×10-6/K. Tem grande potencial em semicondutores, óptica, etc. Muitas propriedades excelentes, mas um único diamante não é fácil de transformar em materiais de embalagem, e o custo é alto.

 

De acordo com a regra de mistura, espera-se que o composto de matriz de diamante/metal preparado pela adição de partículas de diamante em Ag, Cu, Al e outra matriz de metal de alta condutividade térmica se torne um novo tipo de material de embalagem eletrônica com baixo coeficiente de expansão térmica e alta temperatura condutividade. Com base na excelente condutividade elétrica e alta condutividade térmica do cobre, um material compósito de diamante/cobre foi desenvolvido como material de substrato para embalagens eletrônicas e foi confirmado que o material compósito de diamante/cobre possui bom revestimento e soldabilidade, o que atende aos requisitos eletrônicos os materiais de substrato de embalagem requerem baixo coeficiente de expansão térmica e alta condutividade térmica e, em comparação com as ligas Mo/Cu, têm menor densidade e peso mais leve.

 

Portanto, compósitos de diamante/cobre com diamante como fase de reforço e cobre como material de matriz. Os materiais podem ser usados ​​para embalagem de chips, o que pode melhorar o desempenho de sistemas de equipamentos eletrônicos e ajudar a reduzir o peso do equipamento.

Com a melhoria contínua de problemas técnicos em materiais, dispositivos, etc., o diamante tornou-se um material de substrato com alta condutividade térmica e boa dissipação de calor. Tem amplas perspectivas de aplicação em ambientes de alta temperatura. Melhor material semicondutor para dispositivos de densidade de potência, seu enorme potencial atrai cada vez mais pesquisadores a se dedicarem a ele. O potencial do diamante será gradualmente desenvolvido para atender às necessidades da futura indústria de semicondutores e ocupar um lugar nos materiais de embalagem eletrônica de semicondutores.