Kas teemant-/metallikomposiidid võivad 5G ajastul päästa ülekuumenenud pooljuhtseadmeid?
Elektroonilise tehnoloogia kiire arenguga on kommunikatsioonitehnoloogia järk-järgult jõudnud 5G ajastusse. Samal ajal kui pooljuhtmaterjale uuendatakse pidevalt, liiguvad ka integraallülitused suuremahulise, suure integreerituse ja suure võimsusega suunas. SiC ja GaN esindatud lairiba-pooljuhtmaterjalide kasutamine on viinud isoleeritud paisuga bipolaarsete transistoride (IGBT) kiire arenguni, mis avab uue olukorra uue põlvkonna infotehnoloogia jaoks.
Suur võimsus ja suur voolutihedus on IGBT-kiipide arengutrend, mis põhjustab paratamatult elektroonikakomponentide ülekuumenemist. Uuringuandmed näitavad, et kui kiibi pinna temperatuur jõuab 70-80°C-ni, väheneb kiibi töökindlus 5% iga 1°C temperatuuritõusu kohta. Rohkem kui 55% elektroonikaseadmete riketest on põhjustatud ülekuumenemisest. Soojuse hajumise probleemi lahendamiseks on lisaks tõhusama jahutustehnoloogia kasutuselevõtule vaja kiiresti välja töötada uued kerged elektroonilised pakkematerjalid, mille soojusjuhtivus on suurem kui 400 W/(m·K) ja mille paisumistegur vastab pooljuhtmaterjalile. Uut tüüpi elektrooniliste pakkematerjalidena on teemant/metallist komposiitmaterjalid pärast enam kui kümme aastat kestnud uurimis- ja arendustegevust järk-järgult lava keskmesse kolinud ning on väga oodatud.
Teemantil on suurepärane jõudlus, nagu suur keelatud ribalaius, kõrge kõvadus ja soojusjuhtivus, kõrge elektronide küllastumise kiirus, kõrge temperatuurikindlus, korrosioonikindlus ja kiirguskindlus. Seda kasutatakse kõrgepinge ja suure tõhususega jõuelektroonikas, kõrgsagedus- ja suure võimsusega mikroelektroonikas, sügaval ultraviolettkiirguse optoelektroonikas ja muudes valdkondades on äärmiselt olulised rakendusväljavaated. Teemantil on praegu teadaolevatest looduslikest ainetest kõrgeim soojusjuhtivus (2200W/(m·K)), mis on 4 korda suurem kui ränikarbiidil (SiC), 13 korda suurem kui ränil (Si) ja suurem kui galliumarseniidil (GaAs). ) See on 43 korda suurem, mis on 4–5 korda suurem vasest ja hõbedast. Praegu on teemant/metallist soojust hajutavad komposiitmaterjalid paljulubavad.
Teemant on kuupkristall, mis moodustub süsinikuaatomite kovalentse sideme teel. Paljud teemandi äärmuslikud omadused tulenevad sp3 kovalentse sideme tugevusest, mis moodustab jäiga struktuuri ja väikese arvu süsinikuaatomeid. Metall juhib soojust läbi vabade elektronide ja selle kõrget soojusjuhtivust seostatakse kõrge elektrijuhtivusega. Seevastu soojusjuhtivus teemandis saavutatakse ainult võre vibratsiooni (st fonoonide) abil. Äärmiselt tugevad kovalentsed sidemed teemandiaatomite vahel muudavad jäiga kristallvõre kõrge vibratsioonisagedusega, nii et selle Debye iseloomulik temperatuur on kuni 2220 K. Kuna enamik rakendusi on Debye'i temperatuurist palju madalamad, on fononi hajumine väike, seega on fooniga kui kandjaga soojusjuhtivuse takistus äärmiselt väike. Kuid kõik võre defektid põhjustavad fononi hajumist, vähendades seeläbi soojusjuhtivust, mis on kõikidele kristallmaterjalidele omane.
Teemant/vask komposiitmaterjalide soojusjuhtivust piirab peamiselt komposiitmaterjali liidese projekteerimine ja ettevalmistusprotsess, täpsemalt vaskmaatriksi sisemine soojusjuhtivus, teemant, teemandi ruumala, osakeste suurus ja soojusjuhtivuse parandamine. nende kahe liides Samuti on see eriti oluline. Üldiselt kasutatakse komposiitmaterjali tugevdava faasina tervikliku kristallivormiga, madala lämmastikusisaldusega, 100–500 um suurust teemanti, et vältida pinna muutumist grafiiditaoliseks faasiks, suurendada teemandi mahuosa komposiidis. materjalist ja aitab hankida kvaliteetset teemant/vase komposiitmaterjali.
Pidevalt kasvava võimsustihedusega pooljuhtkomponente silmas pidades tasub huviga oodata, kas teemant/metalli komposiitmaterjalid suudavad saavutada kiire soojuse hajumise.
