Приложение на диамант в нови субстрати за електронни опаковки

Съвременната технология на микроелектрониката се развива бързо, а електронните системи и оборудване се развиват в посока на широкомащабна интеграция, миниатюризация, висока ефективност и висока надеждност. Увеличаването на интеграцията на електронните системи ще доведе до повишена плътност на мощността, както и до повишена топлина, генерирана от електронните компоненти и цялостната работа на системата. Следователно ефективната опаковка трябва да реши проблема с разсейването на топлината на електронните системи.

Доброто разсейване на топлината на устройството зависи от оптимизирания дизайн на структурата за разсейване на топлината, избора на опаковъчен материал (материал за термичен интерфейс и субстрат за разсейване на топлина) и производствения процес на опаковката. Сред тях изборът на субстратен материал е ключова връзка, която пряко влияе върху цената, производителността и надеждността на устройството. Най-общо казано, прилагането на електронни опаковъчни материали трябва да вземе предвид две основни изисквания за ефективност. Първият е висока топлопроводимост за постигане на бърз пренос на топлина и гарантиране, че чипът може да работи стабилно при идеални температурни условия; в същото време опаковъчният материал трябва да бъде надежден. Регулируем коефициент на термично разширение, така че да поддържа съответствие с чипа и всички нива на опаковъчните материали и да намали неблагоприятните ефекти от термичния стрес. Пътят на развитие на електронните опаковъчни материали е непрекъснатото подобряване и оптимизиране на тези две свойства.

 

Разбира се, новите опаковъчни субстратни материали също трябва да вземат предвид други свойства, като високо съпротивление, ниска диелектрична константа, диелектрични загуби, добро термично съвпадение със силиций и галиев арсенид, висока плоскост на повърхността, добри механични свойства и лекота на промишлено производство и други характеристики , така че изборът на нови опаковъчни субстратни материали е гореща точка за научни изследвания и разработки в различни страни. Понастоящем няколко често използвани опаковъчни субстрата включват Al2O3 керамика, SiC керамика, AlN и други материали.

 

Още през 1929 г. немската компания Siemens успешно разработи керамика Al2O3, но коефициентът на топлинно разширение и диелектричната константа на Al2O3 са по-високи от тези на монокристалите Si, а топлопроводимостта не е достатъчно висока, така че керамичните субстрати Al2O3 не са подходящи за високи честота, голяма мощност, използвани в VLSI.

 

След това на пазара постепенно навлязоха керамични материали с висока топлопроводимост SiC, AlN, SI3N4 и диамант.

Топлинната проводимост на SiC керамиката е много висока и колкото по-висока е чистотата на кристализацията на SiC, толкова по-висока е топлопроводимостта; най-големият недостатък на SiC е, че диелектричната константа е твърде висока и диелектричната якост е ниска, така че ограничава високочестотните приложения и е подходящ само за опаковки с ниска плътност.

 

Материалът AlN има отлични диелектрични свойства и стабилни химични свойства, особено неговият коефициент на топлинно разширение съвпада с този на силиций, така че да може да се използва като полупроводников опаковъчен субстратен материал с големи перспективи за развитие. Въпреки това топлопроводимостта е ниска и тъй като полупроводниковите опаковки имат все по-високи изисквания за разсейване на топлината, AlN материалите също имат известно затруднение в развитието.

 

В крайна сметка диамантът се открои. Диамантът има много добри цялостни термофизични свойства. Неговата топлопроводимост при стайна температура е {{0}}W/(m·K), а коефициентът му на топлинно разширение е 0,8×10-6/K. Той има голям потенциал в полупроводниците, оптиката и т.н. Много отлични свойства, но един диамант не е лесно да се направи в опаковъчни материали и цената е висока.

 

Съгласно правилото за смесване, матричният композит диамант/метал, приготвен чрез добавяне на диамантени частици в Ag, Cu, Al и друга метална матрица с висока топлопроводимост, се очаква да се превърне в нов тип електронен опаковъчен материал с нисък коефициент на термично разширение и висока топлинна проводимост. Въз основа на отличната електрическа проводимост и висока топлопроводимост на медта, диамант/мед композитен материал е разработен като субстратен материал за електронни опаковки и е потвърдено, че диамант/мед композитен материал има добро покритие и спояване, което отговаря на електронните изисквания опаковъчните субстратни материали изискват нисък коефициент на термично разширение и висока топлопроводимост и в сравнение с Mo/Cu сплавите имат по-ниска плътност и по-леко тегло.

 

Следователно диамант/медни композити с диамант като усилваща фаза и мед като матричен материал могат да се използват за опаковане на чипове, което може да подобри производителността на системите за електронно оборудване и да помогне за намаляване на теглото на оборудването.

С непрекъснатото подобряване на техническите проблеми в материалите, устройствата и т.н., диамантът се превърна в субстратен материал с висока топлопроводимост и добро разсейване на топлината. Има широки перспективи за приложение в среда с по-висока температура. Най-добрият полупроводников материал за устройства за плътност на мощността, неговият огромен потенциал привлича все повече изследователи да му се посветят. Потенциалът на диаманта ще се развива постепенно, за да отговори на нуждите на бъдещата полупроводникова индустрия и да заеме място в полупроводниковите електронни опаковъчни материали.