À l'ère de la 5G, les composites diamant/métal peuvent-ils sauver des dispositifs semi-conducteurs surchauffés ?

Avec le développement rapide de la technologie électronique, la technologie de la communication est progressivement entrée dans l'ère de la 5G. Alors que les matériaux semi-conducteurs sont constamment mis à jour, les circuits intégrés évoluent également dans le sens d'une grande échelle, d'une intégration élevée et d'une puissance élevée. L'application de matériaux semi-conducteurs à large bande interdite représentés par le SiC et le GaN a conduit au développement rapide des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT), qui ouvre une nouvelle situation pour une nouvelle génération de technologies de l'information.

Une puissance élevée et une densité de courant élevée sont la tendance de développement des puces IGBT, ce qui entraînera inévitablement une surchauffe des composants électroniques. Les données de recherche montrent que lorsque la température de surface de la puce atteint 70-80 °C, la fiabilité de la puce diminue de 5 % pour chaque augmentation de température de 1 °C. Plus de 55% des modes de défaillance des appareils électroniques sont causés par une température excessive. Pour résoudre le problème de dissipation thermique, en plus d'adopter une technologie de refroidissement plus efficace, il est urgent de développer de nouveaux matériaux d'emballage électronique légers avec une conductivité thermique supérieure à 400 W/(m·K) et un coefficient de dilatation correspondant au matériau semi-conducteur. En tant que nouveau type de matériau d'emballage électronique, les matériaux composites diamant/métal sont progressivement passés au centre de la scène après plus de dix ans de recherche et développement, et sont très attendus.

Le diamant a d'excellentes performances telles qu'une grande largeur de bande interdite, une dureté et une conductivité thermique élevées, une vitesse de dérive de saturation des électrons élevée, une résistance à haute température, une résistance à la corrosion et une résistance aux rayonnements. Il est utilisé dans l'électronique de puissance haute tension et haute efficacité, la microélectronique haute fréquence et haute puissance, l'optoélectronique ultraviolette profonde et d'autres domaines ont des perspectives d'application extrêmement importantes. Le diamant a la conductivité thermique la plus élevée (2 200 W/(m·K)) parmi les substances naturelles actuellement connues, qui est 4 fois plus grande que le carbure de silicium (SiC), 13 fois plus grande que le silicium (Si) et plus grande que l'arséniure de gallium (GaAs ) Il est 43 fois plus gros, soit 4 à 5 fois celui du cuivre et de l'argent. À l'heure actuelle, les matériaux composites dissipateurs de chaleur diamant/métal sont prometteurs.

Le diamant est un cristal cubique, formé par la liaison covalente d'atomes de carbone. Bon nombre des propriétés extrêmes du diamant sont le résultat direct de la force de liaison covalente sp³ qui forme une structure rigide et un petit nombre d'atomes de carbone. Le métal conduit la chaleur à travers les électrons libres et sa conductivité thermique élevée est associée à une conductivité électrique élevée. En revanche, la conduction thermique dans le diamant n'est accomplie que par des vibrations de réseau (c'est-à-dire des phonons). Les liaisons covalentes extrêmement fortes entre les atomes de diamant font que le réseau cristallin rigide a une fréquence de vibration élevée, de sorte que sa température caractéristique de Debye atteint 2220K. Étant donné que la plupart des applications sont bien inférieures à la température de Debye, la diffusion des phonons est faible, de sorte que la résistance à la conduction thermique avec le phonon comme support est extrêmement faible. Mais tout défaut de réseau produira une diffusion de phonons, réduisant ainsi la conductivité thermique, qui est une caractéristique inhérente à tous les matériaux cristallins.

La conductivité thermique des matériaux composites diamant/cuivre est principalement limitée par le processus de conception et de préparation de l'interface du matériau composite, en particulier la conductivité thermique intrinsèque de la matrice de cuivre, du diamant, la fraction volumique du diamant, la taille des particules et l'amélioration de la interface entre les deux Il est également particulièrement important. Généralement, le diamant avec une forme cristalline complète, une faible teneur en azote, une taille de 100 à 500 um est utilisé comme phase de renforcement du matériau composite pour empêcher la surface de se transformer en une phase de type graphite, augmenter la fraction volumique de diamant dans le composite matériau et aider à obtenir un matériau composite diamant/cuivre de haute qualité.

Face aux composants semi-conducteurs dont la densité de puissance ne cesse de croître, il convient de se demander si les matériaux composites diamant/métal peuvent obtenir une dissipation thermique rapide.