در عصر 5G، آیا کامپوزیت های الماس/فلز می توانند دستگاه های نیمه هادی گرم شده بیش از حد را نجات دهند؟

با توسعه سریع فناوری الکترونیک، فناوری ارتباطات به تدریج وارد عصر 5G شده است. در حالی که مواد نیمه هادی به طور مداوم به روز می شوند، مدارهای مجتمع نیز در جهت مقیاس بزرگ، ادغام بالا و توان بالا حرکت می کنند. استفاده از مواد نیمه هادی با فاصله باند گسترده که توسط SiC و GaN نشان داده شده اند منجر به توسعه سریع ترانزیستورهای دوقطبی گیت عایق شده (IGBT) شده است که موقعیت جدیدی را برای نسل جدیدی از فناوری اطلاعات باز می کند.

توان بالا و چگالی جریان بالا روند توسعه تراشه های IGBT است که به طور اجتناب ناپذیر باعث گرم شدن بیش از حد قطعات الکترونیکی می شود. داده های تحقیقاتی نشان می دهد که وقتی دمای سطح تراشه به 70-80 درجه سانتی گراد می رسد، قابلیت اطمینان تراشه به ازای هر 1 درجه سانتی گراد افزایش دما، 5 درصد کاهش می یابد. بیش از 55 درصد از حالت های خرابی دستگاه های الکترونیکی ناشی از دمای بیش از حد است. برای حل مشکل اتلاف گرما، علاوه بر اتخاذ فناوری خنک‌کننده کارآمدتر، توسعه مواد بسته‌بندی الکترونیکی سبک وزن جدید با رسانایی حرارتی بیشتر از 400W/(m·K) و ضریب انبساط مطابق با مواد نیمه‌رسانا ضروری است. به عنوان نوع جدیدی از مواد بسته بندی الکترونیکی، مواد کامپوزیت الماس/فلز پس از بیش از ده سال تحقیق و توسعه به تدریج به مرکز صحنه منتقل شده اند و بسیار مورد انتظار است.

الماس دارای عملکرد عالی مانند پهنای باند ممنوعه بزرگ، سختی و هدایت حرارتی بالا، سرعت رانش اشباع الکترون بالا، مقاومت در برابر دمای بالا، مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر تشعشع است. این در الکترونیک قدرت با ولتاژ بالا و راندمان بالا، میکروالکترونیک با فرکانس بالا و توان بالا، الکترونیک نوری فرابنفش عمیق و زمینه‌های دیگر کاربرد بسیار مهمی دارد. الماس دارای بالاترین رسانایی حرارتی (2200W/(m·K)) در بین مواد طبیعی شناخته شده در حال حاضر است که 4 برابر بزرگتر از کاربید سیلیکون (SiC)، 13 برابر بزرگتر از سیلیکون (Si) و بزرگتر از آرسنید گالیم (GaAs) است. ) 43 برابر بزرگتر است که 4 تا 5 برابر مس و نقره است. در حال حاضر، مواد کامپوزیتی اتلاف کننده حرارت الماس/فلز امیدوارکننده هستند.

الماس یک کریستال مکعبی است که از پیوند کووالانسی اتم های کربن تشکیل می شود. بسیاری از خواص شدید الماس نتیجه مستقیم استحکام پیوند کووالانسی sp³ است که ساختاری سفت و سخت و تعداد کمی اتم کربن را تشکیل می دهد. فلز گرما را از طریق الکترون های آزاد هدایت می کند و رسانایی حرارتی بالای آن با رسانایی الکتریکی بالا همراه است. در مقابل، رسانش گرما در الماس تنها با ارتعاشات شبکه (یعنی فونون ها) انجام می شود. پیوندهای کووالانسی بسیار قوی بین اتم های الماس باعث می شود که شبکه کریستالی سفت و سخت فرکانس ارتعاش بالایی داشته باشد، بنابراین دمای مشخصه Debye آن به 2220K می رسد. از آنجایی که بیشتر کاربردها بسیار کمتر از دمای دبای هستند، پراکندگی فونون کم است، بنابراین مقاومت انتقال حرارت با فونون به عنوان محیط بسیار کم است. اما هر گونه نقص شبکه باعث ایجاد پراکندگی فونون می شود و در نتیجه رسانایی حرارتی را کاهش می دهد، که ویژگی ذاتی همه مواد کریستالی است.

رسانایی حرارتی مواد کامپوزیت الماس/مس عمدتاً توسط فرآیند طراحی و آماده سازی رابط مواد کامپوزیت محدود می شود، به ویژه رسانایی حرارتی ذاتی ماتریس مس، الماس، کسر حجمی الماس، اندازه ذرات و بهبود رابط بین این دو نیز از اهمیت ویژه ای برخوردار است. به طور کلی، الماس با فرم بلوری کامل، محتوای نیتروژن کم، اندازه 100-500 میکرومتر به عنوان فاز تقویت کننده مواد کامپوزیت برای جلوگیری از تبدیل سطح به فاز گرافیت مانند، افزایش کسر حجمی الماس در کامپوزیت استفاده می شود. مواد، و به دست آوردن مواد کامپوزیت الماس/مس با کیفیت بالا کمک می کند.

در مواجهه با اجزای نیمه هادی با چگالی توان رو به افزایش، باید منتظر بود که آیا مواد کامپوزیت الماس/فلز می توانند به اتلاف سریع گرما دست یابند.