Anvendelse af diamant i nye elektroniske emballagesubstrater

Moderne mikroelektronikteknologi udvikler sig hurtigt, og elektroniske systemer og udstyr udvikler sig i retning af storskala integration, miniaturisering, høj effektivitet og høj pålidelighed. Stigningen i integrationen af ​​elektroniske systemer vil føre til øget effekttæthed, samt øget varme genereret af elektroniske komponenter og den overordnede drift af systemet. Derfor skal effektiv emballage løse varmeafledningsproblemet ved elektroniske systemer.

God varmeafledning af enheden afhænger af optimeret varmeafledningsstrukturdesign, valg af emballagemateriale (termisk grænseflademateriale og varmeafledningssubstrat) og emballagefremstillingsproces. Blandt dem er valget af substratmaterialet et nøgleled, som direkte påvirker enhedens omkostninger, ydeevne og pålidelighed. Generelt skal anvendelsen af ​​elektroniske emballagematerialer tage hensyn til to grundlæggende ydeevnekrav. Den første er høj varmeledningsevne for at opnå hurtig varmeoverførsel og sikre, at chippen kan arbejde stabilt under ideelle temperaturforhold; samtidig skal emballagematerialet være pålideligt. Justerbar termisk ekspansionskoefficient, for at blive ved med at matche chippen og alle niveauer af emballagematerialer og reducere de negative virkninger af termisk stress. Udviklingssporet for elektroniske emballagematerialer er den løbende forbedring og optimering af disse to egenskaber.

 

Naturligvis skal nye emballagesubstratmaterialer også tage hensyn til andre egenskaber, såsom høj resistivitet, lav dielektrisk konstant, dielektrisk tab, god termisk tilpasning med silicium og galliumarsenid, høj overfladeplanhed, gode mekaniske egenskaber og let industriel produktion og andre egenskaber , så valget af nye emballagesubstratmaterialer er et hot spot for forskning og udvikling i forskellige lande. På nuværende tidspunkt omfatter flere almindeligt anvendte emballagesubstrater Al2O3-keramik, SiC-keramik, AlN og andre materialer.

 

Så tidligt som i 1929 udviklede det tyske Siemens-firma med succes Al2O3-keramik, men den termiske udvidelseskoefficient og dielektriske konstant for Al2O3 er højere end for Si-enkeltkrystaller, og den termiske ledningsevne er ikke høj nok, så Al2O3-keramiske substrater er ikke egnede til høje frekvens, stor Power, brugt i VLSI.

 

Efter dette kom keramiske substratmaterialer med høj termisk ledningsevne SiC, AlN, SI3N4 og diamant gradvist på markedet.

Den termiske ledningsevne af SiC-keramik er meget høj, og jo højere renhed af SiC-krystallisation, jo højere er termisk ledningsevne; den største ulempe ved SiC er, at den dielektriske konstant er for høj, og den dielektriske styrke er lav, så det begrænser dets højfrekvente applikationer og er kun egnet til emballage med lav densitet.

 

AlN-materiale har fremragende dielektriske egenskaber og stabile kemiske egenskaber, især dets termiske udvidelseskoefficient svarer til silicium, så det kan bruges som et halvlederemballeringssubstratmateriale med store udviklingsmuligheder. Den termiske ledningsevne er dog lav, og da halvlederemballage har højere og højere krav til varmeafledning, har AlN-materialer også en vis udviklingsflaskehals.

 

I sidste ende skilte diamant sig ud. Diamant har meget gode omfattende termofysiske egenskaber. Dens termiske ledningsevne ved stuetemperatur er {{0}}W/(m·K), og dens termiske udvidelseskoefficient er 0,8×10-6/K. Den har et stort potentiale inden for halvledere, optik osv. Mange fremragende egenskaber, men en enkelt diamant er ikke let at lave til emballagematerialer, og omkostningerne er høje.

 

I henhold til blandingsreglen forventes diamant/metal-matrix-kompositten, der er fremstillet ved at tilføje diamantpartikler til Ag, Cu, Al og andre metalmatrixer med høj termisk ledningsevne, at blive en ny type elektronisk emballagemateriale med både lav termisk udvidelseskoefficient og høj termisk ledningsevne. Baseret på kobbers fremragende elektriske ledningsevne og høje termiske ledningsevne blev der udviklet et diamant/kobber kompositmateriale som et substratmateriale til elektronisk emballering, og det blev bekræftet, at diamant/kobber kompositmaterialet har god plettering og loddeevne, som opfylder den elektroniske emballagesubstratmaterialer kræver lav termisk udvidelseskoefficient og høj varmeledningsevne, og sammenlignet med Mo/Cu-legeringer har de lavere densitet og lettere vægt.

 

Derfor kan diamant/kobber-kompositter med diamant som forstærkningsfase og kobber som matrixmateriale bruges. Materialer kan bruges til spånpakning, hvilket kan forbedre ydeevnen af ​​elektronisk udstyrssystemer og hjælpe med at reducere udstyrs vægt.

Med den løbende forbedring af tekniske problemer i materialer, enheder osv. er diamant blevet et substratmateriale med høj varmeledningsevne og god varmeafledning. Det har brede anvendelsesmuligheder i miljøer med højere temperaturer. Det bedste halvledermateriale til enheder med strømtæthed, dets enorme potentiale tiltrækker flere og flere forskere til at hellige sig det. Diamantens potentiale vil gradvist blive udviklet for at imødekomme behovene i den fremtidige halvlederindustri og indtage en plads i halvleder elektroniske emballagematerialer.