کاربرد الماس در بسترهای بسته بندی الکترونیکی جدید

فن آوری میکروالکترونیک مدرن به سرعت در حال توسعه است و سیستم ها و تجهیزات الکترونیکی در جهت ادغام در مقیاس بزرگ، کوچک سازی، راندمان بالا و قابلیت اطمینان بالا در حال توسعه هستند. افزایش ادغام سیستم های الکترونیکی منجر به افزایش چگالی توان و همچنین افزایش گرمای تولید شده توسط قطعات الکترونیکی و عملکرد کلی سیستم خواهد شد. بنابراین، بسته بندی موثر باید مشکل اتلاف حرارت سیستم های الکترونیکی را حل کند.

اتلاف گرمای خوب دستگاه به طراحی ساختار اتلاف حرارت بهینه، انتخاب مواد بسته بندی (مواد رابط حرارتی و بستر اتلاف حرارت) و فرآیند تولید بسته بندی بستگی دارد. در میان آنها، انتخاب مواد بستر یک پیوند کلیدی است که به طور مستقیم بر هزینه، عملکرد و قابلیت اطمینان دستگاه تأثیر می گذارد. به طور کلی، استفاده از مواد بسته بندی الکترونیکی باید دو الزام عملکرد اساسی را در نظر بگیرد. اولین مورد رسانایی حرارتی بالا برای دستیابی به انتقال سریع حرارت و اطمینان از اینکه تراشه می تواند در شرایط دمایی ایده آل کار کند، پایدار است. در عین حال، مواد بسته بندی باید قابل اعتماد باشد. ضریب انبساط حرارتی قابل تنظیم، به طوری که با تراشه و تمام سطوح مواد بسته بندی مطابقت داشته باشد و اثرات نامطلوب استرس حرارتی کاهش یابد. مسیر توسعه مواد بسته بندی الکترونیکی بهبود مستمر و بهینه سازی این دو ویژگی است.

 

البته مواد بستر بسته بندی جدید نیز باید خواص دیگری مانند مقاومت بالا، ثابت دی الکتریک پایین، تلفات دی الکتریک، تطابق حرارتی خوب با آرسنید سیلیکون و گالیم، صافی سطح بالا، خواص مکانیکی خوب و سهولت تولید صنعتی و سایر ویژگی ها را در نظر بگیرند. بنابراین انتخاب مواد بستر بسته بندی جدید نقطه داغی برای تحقیق و توسعه در کشورهای مختلف است. در حال حاضر، چندین بستر بسته بندی متداول شامل سرامیک Al2O3، سرامیک SiC، AlN و مواد دیگر می باشد.

 

در اوایل سال 1929، شرکت زیمنس آلمان با موفقیت سرامیک های Al2O3 را توسعه داد، اما ضریب انبساط حرارتی و ثابت دی الکتریک Al2O3 از تک بلورهای Si بیشتر است و رسانایی حرارتی به اندازه کافی بالا نیست، بنابراین بسترهای سرامیکی Al2O3 برای سطوح بالا مناسب نیستند. فرکانس، توان بزرگ، مورد استفاده در VLSI.

 

به دنبال آن، مواد بستر سرامیکی با هدایت حرارتی بالا SiC، AlN، SI3N4 و الماس به تدریج وارد بازار شدند.

هدایت حرارتی سرامیک های SiC بسیار بالا است و هرچه خلوص تبلور SiC بیشتر باشد، هدایت حرارتی بالاتری دارد. بزرگترین نقطه ضعف SiC این است که ثابت دی الکتریک بسیار زیاد و قدرت دی الکتریک پایین است، بنابراین کاربردهای فرکانس بالا را محدود می کند و فقط برای بسته بندی با چگالی کم مناسب است.

 

مواد AlN دارای خواص دی الکتریک عالی و خواص شیمیایی پایدار است، به ویژه ضریب انبساط حرارتی آن با سیلیکون مطابقت دارد، به طوری که می توان از آن به عنوان یک ماده بستر بسته بندی نیمه هادی با چشم انداز توسعه بزرگ استفاده کرد. با این حال، رسانایی حرارتی پایین است، و از آنجایی که بسته بندی نیمه هادی نیازهای بالاتر و بالاتری برای اتلاف گرما دارد، مواد AlN نیز گلوگاه توسعه خاصی دارند.

 

در نهایت الماس برجسته شد. الماس دارای خواص ترموفیزیکی جامع بسیار خوبی است. هدایت حرارتی آن در دمای اتاق {{0}}W/(m·K) و ضریب انبساط حرارتی آن 0.8×10-6/K است. این پتانسیل بالایی در نیمه هادی ها، اپتیک و غیره دارد. خواص بسیار خوبی دارد، اما ساختن یک الماس واحد به مواد بسته بندی آسان نیست و هزینه آن بالاست.

 

طبق قانون اختلاط، کامپوزیت زمینه الماس/فلز تهیه شده با افزودن ذرات الماس به Ag، Cu، Al و دیگر زمینه فلزی با رسانایی حرارتی بالا، به نوع جدیدی از مواد بسته‌بندی الکترونیکی با ضریب انبساط حرارتی کم و حرارتی بالا تبدیل می‌شود. رسانایی بر اساس رسانایی الکتریکی عالی و هدایت حرارتی بالای مس، یک ماده کامپوزیت الماس/مس به عنوان ماده زیرلایه برای بسته‌بندی الکترونیکی ساخته شد و تایید شد که مواد کامپوزیت الماس/مس دارای آبکاری و لحیم‌کاری خوبی است که مطابق با الکترونیک است. مواد بستر بسته بندی به ضریب انبساط حرارتی پایین و هدایت حرارتی بالا نیاز دارند و در مقایسه با آلیاژهای Mo/Cu چگالی کمتر و وزن سبک تری دارند.

 

بنابراین، کامپوزیت های الماس/مس با الماس به عنوان فاز تقویت کننده و مس به عنوان ماده ماتریس مواد را می توان برای بسته بندی تراشه استفاده کرد که می تواند عملکرد سیستم های تجهیزات الکترونیکی را بهبود بخشد و به کاهش وزن تجهیزات کمک کند.

با بهبود مستمر مشکلات فنی در مواد، دستگاه ها و غیره، الماس به یک ماده بستر با هدایت حرارتی بالا و اتلاف حرارت خوب تبدیل شده است. چشم انداز کاربرد گسترده ای در محیط های با دمای بالاتر دارد. بهترین ماده نیمه هادی برای دستگاه های چگالی توان، پتانسیل عظیم آن باعث می شود تا محققان بیشتری را به خود اختصاص دهند. پتانسیل الماس به تدریج توسعه می یابد تا نیازهای صنعت نیمه هادی آینده را برآورده کند و جایگاهی را در مواد بسته بندی الکترونیکی نیمه هادی اشغال کند.