Uporaba diamanta v substratih za novo elektronsko embalažo

Sodobna tehnologija mikroelektronike se hitro razvija, elektronski sistemi in oprema pa se razvijajo v smeri velike integracije, miniaturizacije, visoke učinkovitosti in visoke zanesljivosti. Povečana integracija elektronskih sistemov bo vodila do povečane gostote moči, pa tudi do povečane toplote, ki jo proizvajajo elektronske komponente in celotno delovanje sistema. Zato mora učinkovita embalaža rešiti problem odvajanja toplote elektronskih sistemov.

Dobro odvajanje toplote naprave je odvisno od optimizirane zasnove strukture za odvajanje toplote, izbire materiala za embalažo (material za toplotni vmesnik in substrat za odvajanje toplote) in postopka izdelave embalaže. Med njimi je izbira materiala substrata ključna povezava, ki neposredno vpliva na ceno, zmogljivost in zanesljivost naprave. Na splošno je treba pri uporabi elektronskih embalažnih materialov upoštevati dve osnovni zahtevi glede učinkovitosti. Prvi je visoka toplotna prevodnost za doseganje hitrega prenosa toplote in zagotavljanje stabilnega delovanja čipa pri idealnih temperaturnih pogojih; hkrati pa mora biti embalažni material zanesljiv. Nastavljiv koeficient toplotnega raztezanja, da se ohrani ujemanje s čipom in vsemi ravnmi embalažnih materialov ter zmanjša škodljive učinke toplotne obremenitve. Razvojna pot elektronskih embalažnih materialov je nenehno izboljševanje in optimizacija teh dveh lastnosti.

 

Seveda morajo novi embalažni substratni materiali upoštevati tudi druge lastnosti, kot so visoka upornost, nizka dielektrična konstanta, dielektrične izgube, dobro toplotno ujemanje s silicijem in galijevim arzenidom, visoka površinska ravnost, dobre mehanske lastnosti in enostavnost industrijske proizvodnje ter druge značilnosti , zato je izbira novih materialov za substrat embalaže vroča točka za raziskave in razvoj v različnih državah. Trenutno več pogosto uporabljenih embalažnih substratov vključuje keramiko Al2O3, SiC keramiko, AlN in druge materiale.

 

Že leta 1929 je nemško podjetje Siemens uspešno razvilo keramiko Al2O3, vendar sta koeficient toplotnega raztezanja in dielektrična konstanta Al2O3 višja kot pri monokristalih Si, toplotna prevodnost pa ni dovolj visoka, zato keramični substrati Al2O3 niso primerni za visoke frekvenca, velika moč, uporablja se v VLSI.

 

Po tem so na trg postopoma vstopali keramični substratni materiali z visoko toplotno prevodnostjo SiC, AlN, SI3N4 in diamant.

Toplotna prevodnost SiC keramike je zelo visoka in višja kot je čistost kristalizacije SiC, višja je toplotna prevodnost; največja pomanjkljivost SiC je, da je dielektrična konstanta previsoka in dielektrična trdnost nizka, zato omejuje njegove visokofrekvenčne aplikacije in je primeren samo za embalažo z nizko gostoto.

 

Material AlN ima odlične dielektrične lastnosti in stabilne kemijske lastnosti, zlasti koeficient toplotne razteznosti se ujema s koeficientom silicija, tako da se lahko uporablja kot polprevodniški embalažni substratni material z velikimi razvojnimi možnostmi. Vendar pa je toplotna prevodnost nizka in ker ima polprevodniška embalaža vedno višje zahteve glede odvajanja toplote, imajo materiali AlN tudi določeno razvojno ozko grlo.

 

Na koncu je izstopal diamant. Diamant ima zelo dobre celovite termofizikalne lastnosti. Njegova toplotna prevodnost pri sobni temperaturi je {{0}} W/(m·K), koeficient toplotne razteznosti pa 0,8×10-6/K. Ima velik potencial v polprevodnikih, optiki itd. Številne odlične lastnosti, vendar enega samega diamanta ni enostavno predelati v embalažne materiale, stroški pa so visoki.

 

V skladu s pravilom mešanja se pričakuje, da bo kompozit diamant/kovinska matrika, pripravljen z dodajanjem diamantnih delcev v Ag, Cu, Al in druge kovinske matrike z visoko toplotno prevodnostjo, postal nova vrsta elektronskega embalažnega materiala z nizkim koeficientom toplotnega raztezanja in visoko toplotno prevodnost. Na podlagi odlične električne prevodnosti in visoke toplotne prevodnosti bakra je bil razvit diamant/baker kompozitni material kot substratni material za elektronsko embalažo in potrjeno je bilo, da ima diamant/baker kompozitni material dobro prevleko in spajkanje, kar ustreza elektronskim embalažni substratni materiali zahtevajo nizek koeficient toplotnega raztezanja in visoko toplotno prevodnost, v primerjavi z zlitinami Mo/Cu pa imajo manjšo gostoto in manjšo težo.

 

Zato je mogoče za pakiranje čipov uporabiti kompozite diamant/baker z diamantom kot ojačitveno fazo in bakrom kot matričnim materialom, kar lahko izboljša delovanje sistemov elektronske opreme in pomaga zmanjšati težo opreme.

Z nenehnim izboljševanjem tehničnih težav pri materialih, napravah itd. je diamant postal substratni material z visoko toplotno prevodnostjo in dobrim odvajanjem toplote. Ima široke možnosti uporabe v okoljih z višjo temperaturo. Najboljši polprevodniški material za naprave z gostoto moči, njegov ogromen potencial privablja vedno več raziskovalcev, da se mu posvetijo. Potencial diamanta se bo postopoma razvijal, da bi zadostil potrebam prihodnje polprevodniške industrije in zavzel mesto v polprevodniških elektronskih embalažnih materialih.