Aplicación de diamante en nuevos sustratos de embalaje electrónico

La tecnología microelectrónica moderna se está desarrollando rápidamente, y los sistemas y equipos electrónicos se están desarrollando en la dirección de la integración a gran escala, la miniaturización, la alta eficiencia y la alta confiabilidad. El aumento en la integración de los sistemas electrónicos dará lugar a una mayor densidad de potencia, así como a un aumento del calor generado por los componentes electrónicos y el funcionamiento general del sistema. Por lo tanto, un empaque efectivo debe resolver el problema de disipación de calor de los sistemas electrónicos.

La buena disipación de calor del dispositivo depende del diseño optimizado de la estructura de disipación de calor, la selección del material de empaque (material de interfaz térmica y sustrato de disipación de calor) y el proceso de fabricación del empaque. Entre ellos, la selección del material del sustrato es un vínculo clave que afecta directamente el costo, el rendimiento y la confiabilidad del dispositivo. En términos generales, la aplicación de materiales de embalaje electrónico debe tener en cuenta dos requisitos básicos de rendimiento. El primero es una alta conductividad térmica para lograr una transferencia de calor rápida y garantizar que el chip pueda funcionar de manera estable en condiciones de temperatura ideales; al mismo tiempo, el material de embalaje debe ser fiable. Coeficiente de expansión térmica ajustable, para seguir coincidiendo con el chip y todos los niveles de materiales de embalaje, y reducir los efectos adversos del estrés térmico. La vía de desarrollo de los materiales de embalaje electrónico es la mejora continua y la optimización de estas dos propiedades.

 

Por supuesto, los nuevos materiales de sustrato de empaque también deben considerar otras propiedades, como alta resistividad, baja constante dieléctrica, pérdida dieléctrica, buena combinación térmica con silicio y arseniuro de galio, alta planitud superficial, buenas propiedades mecánicas y Facilidad de producción industrial y otras características. , por lo que la selección de nuevos materiales de sustrato de empaque es un punto importante para la investigación y el desarrollo en varios países. En la actualidad, varios sustratos de embalaje de uso común incluyen cerámica Al2O3, cerámica SiC, AlN y otros materiales.

 

Ya en 1929, la empresa alemana Siemens desarrolló con éxito la cerámica Al2O3, pero el coeficiente de expansión térmica y la constante dieléctrica de Al2O3 son más altos que los de los monocristales de Si, y la conductividad térmica no es lo suficientemente alta, por lo que los sustratos cerámicos Al2O3 no son adecuados para altas Frecuencia, gran potencia, utilizada en VLSI.

 

Después de esto, los materiales de sustrato cerámico de alta conductividad térmica SiC, AlN, SI3N4 y el diamante ingresaron gradualmente al mercado.

La conductividad térmica de las cerámicas de SiC es muy alta y cuanto mayor sea la pureza de la cristalización de SiC, mayor será la conductividad térmica; La mayor desventaja de SiC es que la constante dieléctrica es demasiado alta y la rigidez dieléctrica es baja, por lo que limita sus aplicaciones de alta frecuencia y solo es adecuado para empaques de baja densidad.

 

El material AlN tiene excelentes propiedades dieléctricas y propiedades químicas estables, especialmente su coeficiente de expansión térmica coincide con el del silicio, por lo que puede usarse como material de sustrato de empaque de semiconductores con grandes perspectivas de desarrollo. Sin embargo, la conductividad térmica es baja, y dado que el empaque de semiconductores tiene requisitos cada vez más altos para la disipación de calor, los materiales de AlN también tienen un cierto cuello de botella en el desarrollo.

 

Al final, el diamante se destacó. El diamante tiene muy buenas propiedades termofísicas integrales. Su conductividad térmica a temperatura ambiente es {{0}}W/(m·K) y su coeficiente de dilatación térmica es 0,8×10-6/K. Tiene un gran potencial en semiconductores, óptica, etc. Muchas propiedades excelentes, pero un solo diamante no es fácil de convertir en materiales de embalaje y el costo es alto.

 

De acuerdo con la regla de mezcla, se espera que el compuesto de matriz metálica/diamante preparado mediante la adición de partículas de diamante en Ag, Cu, Al y otras matrices metálicas de alta conductividad térmica se convierta en un nuevo tipo de material de embalaje electrónico con un bajo coeficiente de expansión térmica y un alto coeficiente de expansión térmica. conductividad. Sobre la base de la excelente conductividad eléctrica y la alta conductividad térmica del cobre, se desarrolló un material compuesto de diamante/cobre como material de sustrato para empaques electrónicos, y se confirmó que el material compuesto de diamante/cobre tiene un buen recubrimiento y soldabilidad, lo que cumple con los requisitos electrónicos. Los materiales del sustrato del empaque requieren un coeficiente de expansión térmica bajo y una conductividad térmica alta y, en comparación con las aleaciones de Mo/Cu, tienen una densidad más baja y un peso más ligero.

 

Por lo tanto, los compuestos de diamante/cobre con diamante como fase de refuerzo y cobre como material de matriz pueden usarse para empaquetar chips, lo que puede mejorar el rendimiento de los sistemas de equipos electrónicos y ayudar a reducir el peso del equipo.

Con la mejora continua de los problemas técnicos en materiales, dispositivos, etc., el diamante se ha convertido en un material de sustrato con alta conductividad térmica y buena disipación de calor. Tiene amplias perspectivas de aplicación en entornos de temperatura más alta. El mejor material semiconductor para dispositivos de densidad de potencia, su enorme potencial atrae a más y más investigadores a dedicarse a él. El potencial del diamante se desarrollará gradualmente para satisfacer las necesidades de la futura industria de semiconductores y ocupar un lugar en los materiales de embalaje de semiconductores electrónicos.