A l'era 5G, els compostos de diamant/metall poden estalviar dispositius semiconductors sobreescalfats?
Amb el ràpid desenvolupament de la tecnologia electrònica, la tecnologia de la comunicació ha entrat gradualment a l'era 5G. Si bé els materials semiconductors s'actualitzen constantment, els circuits integrats també es mouen en la direcció de gran escala, alta integració i alta potència. L'aplicació de materials semiconductors de banda ampla representats per SiC i GaN ha donat lloc al ràpid desenvolupament de transistors bipolars de porta aïllada (IGBT), que està obrint una nova situació per a una nova generació de tecnologia de la informació.
L'alta potència i l'alta densitat de corrent són la tendència de desenvolupament dels xips IGBT, que inevitablement provocarà un sobreescalfament dels components electrònics. Les dades de la investigació mostren que quan la temperatura de la superfície del xip arriba als 70-80 °C, la fiabilitat del xip disminueix un 5% per cada augment d'1 °C de temperatura. Més del 55% dels modes de fallada dels dispositius electrònics són causats per una temperatura excessiva. Per resoldre el problema de la dissipació de calor, a més d'adoptar una tecnologia de refrigeració més eficient, és urgent desenvolupar nous materials d'embalatge electrònic lleuger amb una conductivitat tèrmica superior a 400 W/(m·K) i un coeficient d'expansió que coincideixi amb el material semiconductor. Com a nou tipus de material d'embalatge electrònic, els materials compostos de diamant/metall s'han traslladat gradualment al centre de l'escenari després de més de deu anys d'investigació i desenvolupament, i són molt esperats.
El diamant té un rendiment excel·lent, com ara una gran amplada de banda prohibida, una gran duresa i conductivitat tèrmica, alta velocitat de deriva de saturació d'electrons, resistència a alta temperatura, resistència a la corrosió i resistència a la radiació. S'utilitza en electrònica de potència d'alta tensió i alta eficiència, microelectrònica d'alta freqüència i alta potència, optoelectrònica ultraviolada profunda i altres camps tenen perspectives d'aplicació extremadament importants. El diamant té la conductivitat tèrmica més alta (2200 W/(m·K)) entre les substàncies naturals conegudes actualment, que és 4 vegades més gran que el carbur de silici (SiC), 13 vegades més gran que el silici (Si) i més gran que l'arsenur de gal·li (GaAs). ) És 43 vegades més gran, que és de 4 a 5 vegades la del coure i la plata. Actualment, els materials compostos de dissipació de calor de diamant/metall són prometedors.
El diamant és un cristall cúbic, format per enllaç covalent d'àtoms de carboni. Moltes de les propietats extremes del diamant són el resultat directe de la força de l'enllaç covalent sp³ que forma una estructura rígida i un petit nombre d'àtoms de carboni. El metall condueix la calor a través d'electrons lliures i la seva alta conductivitat tèrmica s'associa amb una alta conductivitat elèctrica. En canvi, la conducció de calor en el diamant només s'aconsegueix mitjançant vibracions de gelosia (és a dir, fonons). Els enllaços covalents extremadament forts entre els àtoms de diamant fan que la xarxa cristal·lina rígida tingui una freqüència de vibració elevada, de manera que la seva temperatura característica de Debye és de fins a 2220K. Com que la majoria de les aplicacions són molt inferiors a la temperatura de Debye, la dispersió del fonó és petita, de manera que la resistència a la conducció de calor amb el fonó com a mitjà és extremadament petita. Però qualsevol defecte de la gelosia produirà una dispersió de fonons, reduint així la conductivitat tèrmica, que és una característica inherent a tots els materials de cristall.
La conductivitat tèrmica dels materials compostos de diamant/coure està limitada principalment pel procés de disseny i preparació de la interfície del material compost, específicament la conductivitat tèrmica intrínseca de la matriu de coure, el diamant, la fracció de volum del diamant, la mida de les partícules i la millora de la interfície entre els dos També és especialment important. En general, el diamant amb una forma de cristall completa, baix contingut de nitrogen, mida de 100-500 um s'utilitza com a fase de reforç del material compost per evitar que la superfície es transformi en una fase semblant al grafit, augmentar la fracció de volum del diamant en el compost. material i ajuda a obtenir un material compost de coure i diamants d'alta qualitat.
Davant dels components de semiconductors amb una densitat de potència cada cop més gran, val la pena mirar endavant si els materials compostos de diamant/metall poden aconseguir una ràpida dissipació de calor.
