Anwendung von Diamant in neuen elektronischen Verpackungssubstraten

Die moderne Mikroelektronik-Technologie entwickelt sich schnell, und elektronische Systeme und Ausrüstungen entwickeln sich in Richtung auf Integration im großen Maßstab, Miniaturisierung, hohe Effizienz und hohe Zuverlässigkeit. Die zunehmende Integration elektronischer Systeme führt zu einer erhöhten Leistungsdichte sowie zu einer erhöhten Wärmeerzeugung durch elektronische Komponenten und den Gesamtbetrieb des Systems. Daher muss eine effektive Verpackung das Wärmeableitungsproblem elektronischer Systeme lösen.

Eine gute Wärmeableitung des Geräts hängt vom optimierten Design der Wärmeableitungsstruktur, der Auswahl des Verpackungsmaterials (Wärmeleitmaterial und Wärmeableitungssubstrat) und dem Herstellungsprozess der Verpackung ab. Unter ihnen ist die Auswahl des Substratmaterials ein Schlüsselelement, das sich direkt auf die Kosten, Leistung und Zuverlässigkeit des Geräts auswirkt. Im Allgemeinen müssen bei der Anwendung von elektronischen Verpackungsmaterialien zwei grundlegende Leistungsanforderungen berücksichtigt werden. Die erste ist eine hohe Wärmeleitfähigkeit, um eine schnelle Wärmeübertragung zu erreichen und sicherzustellen, dass der Chip unter idealen Temperaturbedingungen stabil arbeiten kann; Gleichzeitig muss das Verpackungsmaterial zuverlässig sein. Einstellbarer Wärmeausdehnungskoeffizient, um mit dem Chip und allen Verpackungsmaterialien übereinzustimmen und die nachteiligen Auswirkungen von Wärmespannungen zu reduzieren. Die Entwicklungsspur elektronischer Verpackungsmaterialien ist die kontinuierliche Verbesserung und Optimierung dieser beiden Eigenschaften.

 

Natürlich müssen neue Verpackungssubstratmaterialien auch andere Eigenschaften berücksichtigen, wie beispielsweise hohen spezifischen Widerstand, niedrige Dielektrizitätskonstante, dielektrische Verluste, gute thermische Anpassung an Silizium und Galliumarsenid, hohe Oberflächenebenheit, gute mechanische Eigenschaften und einfache industrielle Produktion und andere Eigenschaften , daher ist die Auswahl neuer Verpackungssubstratmaterialien ein Hotspot für Forschung und Entwicklung in verschiedenen Ländern. Gegenwärtig umfassen mehrere häufig verwendete Verpackungssubstrate Al 2 O 3 -Keramik, SiC-Keramik, AlN und andere Materialien.

 

Bereits 1929 entwickelte das deutsche Siemens-Unternehmen erfolgreich Al2O3-Keramiken, aber der Wärmeausdehnungskoeffizient und die Dielektrizitätskonstante von Al2O3 sind höher als die von Si-Einkristallen, und die Wärmeleitfähigkeit ist nicht hoch genug, sodass Al2O3-Keramiksubstrate nicht geeignet sind hoch Frequenz, große Leistung, verwendet in VLSI.

 

Danach kamen allmählich keramische Substratmaterialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie SiC, AlN, SI3N4 und Diamant auf den Markt.

Die Wärmeleitfähigkeit von SiC-Keramiken ist sehr hoch, und je höher die Reinheit der SiC-Kristallisation ist, desto höher ist die Wärmeleitfähigkeit; Der größte Nachteil von SiC ist, dass die Dielektrizitätskonstante zu hoch und die Durchschlagsfestigkeit gering ist, sodass es seine Hochfrequenzanwendungen einschränkt und nur für Gehäuse mit geringer Dichte geeignet ist.

 

AlN-Material hat hervorragende dielektrische Eigenschaften und stabile chemische Eigenschaften, insbesondere sein Wärmeausdehnungskoeffizient entspricht dem von Silizium, so dass es als Substratmaterial für Halbleiterverpackungen mit großen Entwicklungsaussichten verwendet werden kann. Allerdings ist die Wärmeleitfähigkeit gering, und da das Halbleiter-Packaging immer höhere Anforderungen an die Wärmeableitung stellt, haben auch AlN-Materialien einen gewissen Entwicklungsstau.

 

Am Ende stach Diamond hervor. Diamant hat sehr gute umfassende thermophysikalische Eigenschaften. Seine Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur beträgt {{0}}W/(m·K) und sein Wärmeausdehnungskoeffizient beträgt 0,8×10-6/K. Es hat ein großes Potenzial in Halbleitern, Optik usw. Viele hervorragende Eigenschaften, aber ein einzelner Diamant ist nicht einfach zu Verpackungsmaterialien zu verarbeiten, und die Kosten sind hoch.

 

Gemäß der Mischungsregel wird erwartet, dass der Diamant/Metallmatrix-Verbundstoff, der durch Hinzufügen von Diamantpartikeln zu Ag, Cu, Al und einer anderen Metallmatrix mit hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt wird, eine neue Art von elektronischem Verpackungsmaterial mit sowohl niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten als auch hoher Wärme wird Leitfähigkeit. Basierend auf der hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit und der hohen Wärmeleitfähigkeit von Kupfer wurde ein Diamant/Kupfer-Verbundmaterial als Substratmaterial für elektronische Verpackungen entwickelt, und es wurde bestätigt, dass das Diamant/Kupfer-Verbundmaterial eine gute Plattierung und Lötbarkeit aufweist, die der Elektronik entspricht Verpackungssubstratmaterialien erfordern einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine hohe Wärmeleitfähigkeit, und verglichen mit Mo/Cu-Legierungen haben sie eine geringere Dichte und ein geringeres Gewicht.

 

Daher können Diamant/Kupfer-Verbundwerkstoffe mit Diamant als Verstärkungsphase und Kupfer als Matrixmaterial Materialien für die Chipverpackung verwendet werden, die die Leistung elektronischer Ausrüstungssysteme verbessern und dazu beitragen können, das Gewicht der Ausrüstung zu reduzieren.

Mit der kontinuierlichen Verbesserung technischer Probleme bei Materialien, Geräten usw. ist Diamant zu einem Substratmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit und guter Wärmeableitung geworden. Es hat breite Anwendungsaussichten in Umgebungen mit höheren Temperaturen. Das beste Halbleitermaterial für Leistungsdichtegeräte, sein enormes Potenzial zieht immer mehr Forscher an, sich ihm zu widmen. Das Potenzial von Diamant wird schrittweise entwickelt, um den Anforderungen der zukünftigen Halbleiterindustrie gerecht zu werden und einen Platz in elektronischen Halbleiterverpackungsmaterialien einzunehmen.