Ali lahko v dobi 5G diamantni/kovinski kompoziti prihranijo pregrete polprevodniške naprave?
S hitrim razvojem elektronske tehnologije je komunikacijska tehnologija postopoma vstopila v dobo 5G. Medtem ko se polprevodniški materiali nenehno posodabljajo, se integrirana vezja premikajo tudi v smeri velikega obsega, visoke integracije in velike moči. Uporaba širokopasovnih polprevodniških materialov, ki jih predstavljata SiC in GaN, je privedla do hitrega razvoja bipolarnih tranzistorjev z izoliranimi vrati (IGBT), kar odpira novo situacijo za novo generacijo informacijske tehnologije.
Velika moč in visoka gostota toka sta trend razvoja IGBT čipov, kar bo neizogibno povzročilo pregrevanje elektronskih komponent. Podatki raziskav kažejo, da ko temperatura površine čipa doseže 70-80°C, se zanesljivost čipa zmanjša za 5% za vsak 1°C dvig temperature. Več kot 55 % načinov okvare elektronskih naprav je posledica previsoke temperature. Za rešitev problema odvajanja toplote je poleg sprejetja učinkovitejše tehnologije hlajenja nujno razviti nove lahke elektronske embalaže s toplotno prevodnostjo večjo od 400 W/(m·K) in ekspanzijskim koeficientom, ki ustreza polprevodniškemu materialu. Kot nova vrsta elektronskega embalažnega materiala so se kompozitni materiali diamantov in kovin po več kot desetih letih raziskav in razvoja postopoma preselili v središče odra in so zelo pričakovani.
Diamant ima odlične zmogljivosti, kot so velika prepovedana širina pasu, visoka trdota in toplotna prevodnost, visoka hitrost premikanja nasičenosti elektronov, visoka temperaturna odpornost, odpornost proti koroziji in odpornost na sevanje. Uporablja se v visokonapetostni in visoko učinkoviti močnostni elektroniki, visokofrekvenčni in zmogljivi mikroelektroniki, globoki ultravijolični optoelektroniki in na drugih področjih ima izjemno pomembne možnosti uporabe. Diamant ima najvišjo toplotno prevodnost (2200W/(m·K)) med trenutno znanimi naravnimi snovmi, ki je 4-krat večja od silicijevega karbida (SiC), 13-krat večja od silicija (Si) in večja od galijevega arzenida (GaAs). ) Je 43-krat večji, kar je 4 do 5-krat več kot baker in srebro. Trenutno so obetavni kompozitni materiali, ki odvajajo toploto diamantov in kovin.
Diamant je kubični kristal, ki nastane s kovalentno vezjo ogljikovih atomov. Številne ekstremne lastnosti diamanta so neposredna posledica sp³ kovalentne moči vezi, ki tvori togo strukturo in majhnega števila ogljikovih atomov. Kovina prevaja toploto skozi proste elektrone, njena visoka toplotna prevodnost pa je povezana z visoko električno prevodnostjo. Nasprotno pa se toplotna prevodnost v diamantu izvaja le z vibracijami rešetke (tj. fononi). Zaradi izjemno močnih kovalentnih vezi med atomi diamanta ima toga kristalna mreža visoko frekvenco vibracij, zato je njena karakteristična temperatura Debyeja celo 2220K. Ker je večina aplikacij veliko nižja od temperature Debye, je sipanje fononov majhno, zato je upor toplotne prevodnosti s fononom kot medijem izjemno majhen. Toda vsaka napaka v mreži bo povzročila razpršitev fononov in s tem zmanjšala toplotno prevodnost, ki je neločljiva značilnost vseh kristalnih materialov.
Toplotna prevodnost diamant/bakrenih kompozitnih materialov je v glavnem omejena z zasnovo in postopkom priprave vmesnika kompozitnega materiala, zlasti z intrinzično toplotno prevodnostjo bakrene matrike, diamanta, prostorninskega deleža diamanta, velikosti delcev in izboljšanja vmesnik med obema Prav tako je še posebej pomemben. Na splošno se diamant s popolno kristalno obliko, nizko vsebnostjo dušika, velikostjo 100-500 um uporablja kot ojačitvena faza kompozitnega materiala, da se prepreči preoblikovanje površine v fazo, podobno grafitu, poveča volumenski delež diamanta v kompozitu materiala in pomaga pri pridobivanju visokokakovostnega kompozitnega materiala diamant/bak.
Glede na polprevodniške komponente z vedno večjo gostoto moči se je vredno veseliti, ali lahko kompozitni materiali iz diamanta in kovine dosežejo hitro odvajanje toplote.
