מאז שנות ה-80, צפיפות האינטגרציה של מעגלים אלקטרוניים גדלה בקצב שנתי של פי 1.5 או יותר. אינטגרציה גבוהה יותר מובילה לצפיפויות זרם גדולות יותר וליצירת חום במהלך הפעולה.אם חום זה לא מפוזר ביעילות, הוא עלול לגרום לכשל תרמי ולקצר את תוחלת החיים של רכיבים אלקטרוניים.
כדי לעמוד בדרישות ההולכות וגוברות לניהול תרמי, חומרי אריזה אלקטרוניים מתקדמים בעלי מוליכות תרמית מעולה נחקרים וממוטבים בהרחבה.
חומר מרוכב יהלום/נחושת
01 יהלום ונחושת
חומרי אריזה מסורתיים כוללים קרמיקה, פלסטיק, מתכות וסגסוגותיהן. קרמיקה כמו BeO2 ו-AlN מציגה מוליכות תרמית (CTE) תואמת מוליכים למחצה, יציבות כימית טובה ומוליכות תרמית בינונית. עם זאת, עיבודם המורכב, עלותם הגבוהה (במיוחד BeO2 רעיל) ושבירותם מגבילים את היישומים. אריזות פלסטיק מציעות עלות נמוכה, משקל קל ובידוד נמוך, אך סובלות ממוליכות תרמית ירודה וחוסר יציבות בטמפרטורה גבוהה. מתכות טהורות (Cu, Ag, Al) בעלות מוליכות תרמית גבוהה אך CTE מוגזם, בעוד שסגסוגות (Cu-W, Cu-Mo) פוגעות בביצועים התרמיים. לכן, יש צורך דחוף בחומרי אריזה חדשניים המאזנים מוליכות תרמית גבוהה ומוליכות תרמית אופטימלית.
| תִגבּוֹרֶת | מוליכות תרמית (W/(m·K)) | ממוצע מחזורי (CTE) (×10⁻⁶/℃) | צפיפות (גרם/סמ"ק) |
| יַהֲלוֹם | 700–2000 | 0.9–1.7 | 3.52 |
| חלקיקי BeO2 | 300 | 4.1 | 3.01 |
| חלקיקי AlN | 150–250 | 2.69 | 3.26 |
| חלקיקי SiC | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| חלקיקי B₄C | 29–67 | 4.4 | 2.52 |
| סיב בורון | 40 | ~5.0 | 2.6 |
| חלקיקי TiC | 40 | 7.4 | 4.92 |
| חלקיקי Al₂O₃ | 20–40 | 4.4 | 3.98 |
| שפם SiC | 32 | 3.4 | – |
| חלקיקי Si₃N₄ | 28 | 1.44 | 3.18 |
| חלקיקי TiB₂ | 25 | 4.6 | 4.5 |
| חלקיקי SiO₂ | 1.4 | <1.0 | 2.65 |
יַהֲלוֹם, החומר הטבעי הקשה ביותר הידוע (מוהס 10), גם בעל תכונות יוצאות דופןמוליכות תרמית (200–2200 וואט/(m·K)).
מיקרו-אבקת יהלום
נְחוֹשֶׁת, עִם מוליכות תרמית/חשמלית גבוהה (401 וואט/(m·K)), גמישות ויעילות עלויות, נמצא בשימוש נרחב במעגלים משולבים.
שילוב של תכונות אלו,חומרים מרוכבים של יהלום/נחושת (Dia/Cu).—עם נחושת כמטריקס ויהלום כחיזוק — צצים כחומרי ניהול תרמי מהדור הבא.
02 שיטות ייצור מרכזיות
השיטות הנפוצות להכנת יהלום/נחושת כוללות: מטלורגיה באבקה, שיטת טמפרטורה גבוהה ולחץ גבוה, שיטת טבילה בהתכה, שיטת סינטור פלזמה פריקה, שיטת ריסוס קר ועוד.
השוואה בין שיטות הכנה, תהליכים ותכונות שונות של חומרים מרוכבים יהלום/נחושת בגודל חלקיקים יחידים
| פָּרָמֶטֶר | מטלורגיה של אבקה | כבישה חמה בוואקום | סינטור פלזמה ספארק (SPS) | לחץ גבוה וטמפרטורה גבוהה (HPHT) | שקיעת ריסוס קר | חדירת נמס |
| סוג היהלום | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | מחשב כף יד | MBD8/HHD |
| מַטרִיצָה | אבקת נחושת 99.8% | אבקת נחושת אלקטרוליטית 99.9% | אבקת נחושת 99.9% | סגסוגת/אבקת נחושת טהורה | אבקת נחושת טהורה | מוט/תפזורת נחושת טהורה |
| שינוי ממשק | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| גודל החלקיקים (מיקרומטר) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| שבר נפח (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| טמפרטורה (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| לחץ (MPa) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| זמן (דקות) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| צפיפות יחסית (%) | 98.5 | 99.2–99.7 | – | – | – | 99.4–99.7 |
| ביצועים | ||||||
| מוליכות תרמית אופטימלית (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
טכניקות מרוכבות Dia/Cu נפוצות כוללות:
(1)מטלורגיה של אבקה
אבקות יהלום/נחושת מעורבות נדחסות ומסונטרות. למרות היותה חסכונית ופשוטה, שיטה זו מניבה צפיפות מוגבלת, מיקרו-מבנים לא הומוגניים ומידות דגימה מוגבלות.
Sיחידת אינטרנינג
(1)לחץ גבוה וטמפרטורה גבוהה (HPHT)
באמצעות מכבשי סדנים מרובים, נחושת מותכת חודר לסריגי יהלום בתנאים קיצוניים, ויוצרת חומרים מרוכבים צפופים. עם זאת, ייצור בקנה מידה גדול של נחושת (HPHT) דורש תבניות יקרות ואינו מתאים לייצור בקנה מידה גדול.
Cיוביק פרס
(1)חדירת נמס
נחושת מותכת מחלחלת לפרפורמות יהלום באמצעות הסננה בסיוע לחץ או הסננה קפילרית. החומרים המרוכבים המתקבלים משיגים מוליכות תרמית של >446 W/(m·K).
(2)סינטור פלזמה ספארק (SPS)
זרם פועם מסינטר במהירות אבקות מעורבות תחת לחץ. למרות יעילותן, ביצועי SPS יורדים בשברי יהלומים מעל 65% נפח.
תרשים סכמטי של מערכת סינטור פלזמת פריקה
(5) שקיעת ריסוס קר
אבקות מואצות ומונחות על גבי מצעים. שיטה חדשה זו מתמודדת עם אתגרים בבקרת גימור פני השטח ובאימות ביצועים תרמיים.
03 שינוי ממשק
להכנת חומרים מרוכבים, הרטבה הדדית בין הרכיבים היא תנאי הכרחי לתהליך המרוכב וגורם חשוב המשפיע על מבנה הממשק ומצב הקשר בין הממשקים. תנאי אי-הרטבה בממשק בין יהלום לנחושת מובילים לעמידות תרמית גבוהה מאוד בממשק. לכן, חיוני מאוד לערוך מחקר שינוי בממשק בין השניים באמצעות מגוון אמצעים טכניים. כיום, ישנן שתי שיטות עיקריות לשיפור בעיית הממשק בין יהלום למטריצת נחושת: (1) טיפול שינוי פני השטח של יהלום; (2) טיפול בסגסוגת של מטריצת הנחושת.
תרשים סכמטי של שינוי: (א) ציפוי ישיר על פני היהלום; (ב) סגסוגת מטריקס
(1) שינוי פני השטח של יהלום
ציפוי אלמנטים פעילים כגון Mo, Ti, W ו-Cr על שכבת השטח של פאזת החיזוק יכול לשפר את מאפייני הממשק של היהלום, ובכך לשפר את המוליכות התרמית שלו. סינטור יכול לאפשר לאלמנטים הנ"ל להגיב עם הפחמן על פני אבקת היהלום וליצור שכבת מעבר קרביד. זה ממטב את מצב הרטבה בין היהלום לבסיס המתכת, והציפוי יכול למנוע שינוי במבנה היהלום בטמפרטורות גבוהות.
(2) סגסוגת מטריצת הנחושת
לפני עיבוד החומרים המרוכבים, מתבצע טיפול מקדים לסגסוגת על נחושת מתכתית, שיכול לייצר חומרים מרוכבים בעלי מוליכות תרמית גבוהה בדרך כלל. סימום אלמנטים פעילים במטריצת הנחושת יכול לא רק להפחית ביעילות את זווית ההרטבה בין יהלום לנחושת, אלא גם ליצור שכבת קרביד מוצקה ומסיסה במטריצת הנחושת בממשק יהלום/נחושת לאחר התגובה. בדרך זו, רוב הפערים הקיימים בממשק החומר משתנים ומתמלאים, ובכך משפרים את המוליכות התרמית.
04 סיכום
חומרי אריזה קונבנציונליים אינם מסוגלים לנהל את החום משבבים מתקדמים. חומרים מרוכבים מסוג Dia/Cu, בעלי CTE מתכוונן ומוליכות תרמית גבוהה במיוחד, מייצגים פתרון פורץ דרך עבור הדור הבא של האלקטרוניקה.
כמפעל היי-טק המשלב תעשייה ומסחר, XKH מתמקדת במחקר, פיתוח וייצור של חומרים מרוכבים יהלום/נחושת וחומרים מרוכבים ממטריצת מתכת בעלי ביצועים גבוהים כגון SiC/Al ו-Gr/Cu, ומספקת פתרונות ניהול תרמי חדשניים עם מוליכות תרמית של מעל 900W/(m·K) עבור תחומי זיווד אלקטרוני, מודולי הספק ותעופה וחלל.
XKH'חומר מרוכב למינציה מצופה נחושת יהלום:
זמן פרסום: 12 במאי 2025