Trong kỷ nguyên 5G, vật liệu tổng hợp kim cương / kim loại có thể cứu được các thiết bị bán dẫn quá nóng?
Với sự phát triển vượt bậc của công nghệ điện tử, công nghệ truyền thông đã dần bước vào kỷ nguyên 5G. Trong khi các vật liệu bán dẫn liên tục được cập nhật, các mạch tích hợp cũng đang di chuyển theo hướng quy mô lớn, tích hợp cao và công suất cao. Việc ứng dụng các vật liệu bán dẫn băng rộng đại diện là SiC và GaN đã dẫn đến sự phát triển nhanh chóng của các bóng bán dẫn lưỡng cực cổng cách điện (IGBT), mở ra một tình thế mới cho một thế hệ công nghệ thông tin mới.
Công suất cao và mật độ dòng điện lớn đang là xu hướng phát triển của chip IGBT, chắc chắn sẽ gây ra hiện tượng quá nhiệt cho các linh kiện điện tử. Dữ liệu nghiên cứu cho thấy khi nhiệt độ bề mặt chip đạt 70-80 ° C, độ tin cậy của chip giảm 5% cho mỗi lần nhiệt độ tăng 1 ° C. Hơn 55% các chế độ hỏng hóc của các thiết bị điện tử là do nhiệt độ quá cao. Để giải quyết vấn đề tản nhiệt, ngoài việc áp dụng công nghệ làm mát hiệu quả hơn, cần cấp thiết phát triển các vật liệu đóng gói điện tử nhẹ mới với hệ số dẫn nhiệt lớn hơn 400W / (m · K) và hệ số giãn nở phù hợp với vật liệu bán dẫn. Là một loại vật liệu đóng gói điện tử mới, vật liệu tổng hợp kim cương / kim loại đã dần trở thành trung tâm của sân khấu sau hơn mười năm nghiên cứu và phát triển, và rất được kỳ vọng.
Kim cương có hiệu suất tuyệt vời như độ rộng dải cấm lớn, độ cứng và độ dẫn nhiệt cao, tốc độ trôi bão hòa điện tử cao, khả năng chịu nhiệt độ cao, chống ăn mòn và chống bức xạ. Nó được sử dụng trong điện tử công suất cao và hiệu suất cao, vi điện tử tần số cao và công suất cao, quang điện tử tia cực tím sâu và các lĩnh vực khác có triển vọng ứng dụng cực kỳ quan trọng. Kim cương có độ dẫn nhiệt cao nhất (2200W / (m · K)) trong số các chất tự nhiên được biết đến hiện nay, lớn hơn 4 lần so với cacbua silic (SiC), lớn hơn 13 lần so với silic (Si) và lớn hơn arsenide gali (GaAs ) Nó lớn hơn 43 lần, gấp 4 đến 5 lần đồng và bạc. Hiện tại, vật liệu composite tản nhiệt kim cương / kim loại đang có nhiều triển vọng.
Kim cương là một tinh thể lập phương, được hình thành do liên kết cộng hóa trị của các nguyên tử cacbon. Nhiều đặc tính cực đoan của kim cương là kết quả trực tiếp của độ bền liên kết cộng hóa trị sp³ tạo nên cấu trúc cứng và một số lượng nhỏ nguyên tử cacbon. Kim loại dẫn nhiệt thông qua các electron tự do, và tính dẫn nhiệt cao của nó đồng nghĩa với khả năng dẫn điện cao. Ngược lại, sự dẫn nhiệt trong kim cương chỉ được thực hiện bằng các dao động mạng tinh thể (tức là các phonon). Các liên kết cộng hóa trị cực mạnh giữa các nguyên tử kim cương làm cho mạng tinh thể cứng rắn có tần số dao động cao, do đó nhiệt độ đặc trưng Debye của nó cao tới 2220K. Vì hầu hết các ứng dụng đều thấp hơn nhiều so với nhiệt độ Debye, sự tán xạ phonon nhỏ, do đó điện trở dẫn nhiệt với phonon làm môi trường là cực kỳ nhỏ. Nhưng bất kỳ khiếm khuyết nào của mạng tinh thể sẽ tạo ra sự tán xạ phonon, do đó làm giảm độ dẫn nhiệt, đây là một đặc tính cố hữu của tất cả các vật liệu tinh thể.
Độ dẫn nhiệt của vật liệu composite kim cương / đồng chủ yếu bị giới hạn bởi quá trình thiết kế và chuẩn bị của giao diện vật liệu composite, cụ thể là độ dẫn nhiệt nội tại của ma trận đồng, kim cương, phần thể tích của kim cương, kích thước hạt và sự cải thiện của giao diện giữa hai giao diện Nó cũng đặc biệt quan trọng. Nói chung, kim cương có dạng tinh thể hoàn chỉnh, hàm lượng nitơ thấp, kích thước 100-500 um được sử dụng làm pha gia cố của vật liệu composite để ngăn bề mặt biến đổi thành pha giống như than chì, làm tăng phần thể tích của kim cương trong composite và giúp có được vật liệu tổng hợp kim cương / đồng chất lượng cao.
Trước tình trạng các linh kiện bán dẫn có mật độ công suất ngày càng tăng, việc vật liệu composite kim cương / kim loại có thể đạt được khả năng tản nhiệt nhanh chóng là điều rất đáng mong đợi.
