Timantin käyttö uusissa elektronisissa pakkausalustoissa

Nykyaikainen mikroelektroniikan teknologia kehittyy nopeasti, ja elektroniset järjestelmät ja laitteet kehittyvät laajamittaisen integroinnin, miniatyrisoinnin, korkean hyötysuhteen ja korkean luotettavuuden suuntaan. Elektronisten järjestelmien integroinnin lisääntyminen johtaa tehotiheyden lisääntymiseen sekä elektronisten komponenttien tuottaman lämmön lisääntymiseen ja järjestelmän yleiseen toimintaan. Siksi tehokkaan pakkauksen on ratkaistava elektroniikkajärjestelmien lämmönpoisto-ongelma.

Laitteen hyvä lämmönpoisto riippuu optimoidusta lämmönpoistorakenteen suunnittelusta, pakkausmateriaalin valinnasta (lämpörajapintamateriaali ja lämmönpoistoalusta) ja pakkausten valmistusprosessista. Niistä substraattimateriaalin valinta on keskeinen linkki, joka vaikuttaa suoraan laitteen hintaan, suorituskykyyn ja luotettavuuteen. Yleisesti ottaen elektronisten pakkausmateriaalien käytön on otettava huomioon kaksi suorituskyvyn perusvaatimusta. Ensimmäinen on korkea lämmönjohtavuus nopean lämmönsiirron saavuttamiseksi ja sen varmistamiseksi, että siru voi toimia vakaasti ihanteellisissa lämpötilaolosuhteissa; Samalla pakkausmateriaalin on oltava luotettava. Säädettävä lämpölaajenemiskerroin, jotta se pysyy yhteensopivana sirun ja pakkausmateriaalien kaikilla tasoilla ja vähentää lämpörasituksen haitallisia vaikutuksia. Elektronisten pakkausmateriaalien kehityspolku on näiden kahden ominaisuuden jatkuva parantaminen ja optimointi.

 

Tietysti uusissa pakkaussubstraattimateriaaleissa on otettava huomioon myös muut ominaisuudet, kuten suuri resistiivisyys, alhainen dielektrisyysvakio, dielektrinen häviö, hyvä lämpösovitus piin ja galliumarsenidin kanssa, korkea pinnan tasaisuus, hyvät mekaaniset ominaisuudet ja teollisen tuotannon helppous ja muut ominaisuudet. , joten uusien pakkausmateriaalien valinta on tutkimus- ja kehitystyön kuuma paikka eri maissa. Tällä hetkellä useita yleisesti käytettyjä pakkaussubstraatteja ovat Al2O3-keramiikka, SiC-keramiikka, AlN ja muut materiaalit.

 

Saksalainen Siemens-yhtiö kehitti jo vuonna 1929 menestyksekkäästi Al2O3-keramiikkaa, mutta Al2O3:n lämpölaajenemiskerroin ja dielektrisyysvakio ovat korkeammat kuin Si-yksikiteiden, ja lämmönjohtavuus ei ole tarpeeksi korkea, joten Al2O3-keraamiset substraatit eivät sovellu korkealle. taajuus, suuri Teho, käytetään VLSI:ssä.

 

Tämän jälkeen korkean lämmönjohtavuuden omaavat keraamiset substraattimateriaalit SiC, AlN, SI3N4 ja timantti tulivat vähitellen markkinoille.

SiC-keramiikan lämmönjohtavuus on erittäin korkea, ja mitä korkeampi on piikarbidin kiteytys, sitä korkeampi lämmönjohtavuus; SiC:n suurin haittapuoli on, että dielektrisyysvakio on liian korkea ja dielektrinen lujuus alhainen, joten se rajoittaa sen suurtaajuussovelluksia ja soveltuu vain pienitiheyksisiin pakkauksiin.

 

AlN-materiaalilla on erinomaiset dielektriset ominaisuudet ja vakaat kemialliset ominaisuudet, erityisesti sen lämpölaajenemiskerroin vastaa piin lämpölaajenemiskerrointa, joten sitä voidaan käyttää puolijohdepakkaussubstraattimateriaalina, jolla on suuria kehitysnäkymiä. Lämmönjohtavuus on kuitenkin alhainen, ja koska puolijohdepakkauksilla on yhä korkeammat vaatimukset lämmönpoistolle, AlN-materiaaleilla on myös tietty kehitys pullonkaula.

 

Lopulta timantti erottui. Timantilla on erittäin hyvät kattavat lämpöfysikaaliset ominaisuudet. Sen lämmönjohtavuus huoneenlämpötilassa on {{0}}W/(m·K) ja lämpölaajenemiskerroin 0,8×10-6/K. Sillä on suuri potentiaali puolijohteissa, optiikassa jne. Monia erinomaisia ​​ominaisuuksia, mutta yhdestä timantista ei ole helppo valmistaa pakkausmateriaaleja ja hinta on korkea.

 

Sekoitussäännön mukaan timantti/metallimatriisikomposiitista, joka on valmistettu lisäämällä timanttihiukkasia Ag-, Cu-, Al- ja muihin korkean lämmönjohtavuuden metallimatriisiin, odotetaan tulevan uudentyyppiseksi elektroniseksi pakkausmateriaaliksi, jolla on sekä alhainen lämpölaajenemiskerroin että korkea lämpölaajenemiskerroin. johtavuus. Kuparin erinomaisen sähkönjohtavuuden ja korkean lämmönjohtavuuden perusteella kehitettiin timantti/kupari-komposiittimateriaali elektroniikkapakkausten substraattimateriaaliksi, ja vahvistettiin, että timantti/kupari-komposiittimateriaalilla on hyvä pinnoite ja juotettavuus, mikä täyttää elektroniikkavaatimukset. Pakkausalustamateriaalit vaativat alhaisen lämpölaajenemiskertoimen ja korkean lämmönjohtavuuden, ja Mo/Cu-seoksiin verrattuna niillä on pienempi tiheys ja kevyempi paino.

 

Siksi timantti/kuparikomposiitteja, joissa timantti on lujitefaasi ja kupari matriisimateriaalina. Materiaalit voidaan käyttää sirupakkauksiin, mikä voi parantaa elektronisten laitejärjestelmien suorituskykyä ja auttaa vähentämään laitteiden painoa.

Materiaalien, laitteiden jne. teknisten ongelmien jatkuvan parantamisen myötä timantista on tullut substraattimateriaali, jolla on korkea lämmönjohtavuus ja hyvä lämmönpoisto. Sillä on laajat käyttömahdollisuudet korkeammissa lämpötiloissa. Paras puolijohdemateriaali tehotiheyslaitteille, sen valtava potentiaali houkuttelee yhä useampia tutkijoita omistautumaan sille. Timantin potentiaalia kehitetään asteittain vastaamaan tulevan puolijohdeteollisuuden tarpeita ja ottamaan paikkansa puolijohdeelektroniikan pakkausmateriaaleissa.