Desde a década de 1980, a densidade de integração dos circuitos eletrônicos tem aumentado a uma taxa anual de 1,5 vezes ou mais. Uma maior integração leva a maiores densidades de corrente e geração de calor durante a operação.Se não for dissipado de forma eficiente, esse calor pode causar falhas térmicas e reduzir a vida útil dos componentes eletrônicos.
Para atender às crescentes demandas de gerenciamento térmico, materiais avançados de embalagens eletrônicas com condutividade térmica superior estão sendo amplamente pesquisados e otimizados.
Material composto de diamante/cobre
01 Diamante e Cobre
Os materiais de embalagem tradicionais incluem cerâmicas, plásticos, metais e suas ligas. Cerâmicas como BeO e AlN apresentam coeficientes de expansão térmica (CTE) compatíveis com semicondutores, boa estabilidade química e condutividade térmica moderada. No entanto, seu processamento complexo, alto custo (especialmente o do BeO, que é tóxico) e fragilidade limitam suas aplicações. As embalagens plásticas oferecem baixo custo, leveza e isolamento, mas sofrem com baixa condutividade térmica e instabilidade em altas temperaturas. Metais puros (Cu, Ag, Al) possuem alta condutividade térmica, mas CTE excessivo, enquanto ligas (Cu-W, Cu-Mo) comprometem o desempenho térmico. Portanto, novos materiais de embalagem que equilibrem alta condutividade térmica e CTE ideal são urgentemente necessários.
| Reforço | Condutividade térmica (W/(m·K)) | CTE (×10⁻⁶/℃) | Densidade (g/cm³) |
| Diamante | 700–2000 | 0,9–1,7 | 3,52 |
| partículas de BeO | 300 | 4.1 | 3.01 |
| partículas de AlN | 150–250 | 2,69 | 3.26 |
| partículas de SiC | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| partículas B₄C | 29–67 | 4.4 | 2,52 |
| Fibra de boro | 40 | ~5,0 | 2.6 |
| partículas de TiC | 40 | 7.4 | 4,92 |
| partículas de Al₂O₃ | 20–40 | 4.4 | 3,98 |
| filamentos de SiC | 32 | 3.4 | – |
| partículas de Si₃N₄ | 28 | 1,44 | 3.18 |
| partículas de TiB₂ | 25 | 4.6 | 4,5 |
| partículas de SiO₂ | 1.4 | <1,0 | 2,65 |
DiamanteO óxido de alumínio, o material natural mais duro conhecido (Mohs 10), também possui propriedades excepcionais.condutividade térmica (200–2200 W/(m·K)).
Micropó de diamante
Cobre, com alta condutividade térmica/elétrica (401 W/(m·K))A ductilidade e a relação custo-benefício são características amplamente utilizadas em circuitos integrados.
Combinando essas propriedades,compósitos de diamante/cobre (Dia/Cu)—com cobre como matriz e diamante como reforço—estão surgindo como materiais de gerenciamento térmico de próxima geração.
02 Principais Métodos de Fabricação
Os métodos comuns para preparar diamante/cobre incluem: metalurgia do pó, método de alta temperatura e alta pressão, método de imersão em fusão, método de sinterização por plasma de descarga, método de pulverização a frio, etc.
Comparação de diferentes métodos de preparação, processos e propriedades de compósitos de diamante/cobre com tamanho de partícula único.
| Parâmetro | Metalurgia do Pó | Prensagem a quente a vácuo | Sinterização por Plasma de Faísca (SPS) | Alta Pressão e Alta Temperatura (HPHT) | Deposição por Aspersão a Frio | Infiltração por fusão |
| Tipo Diamante | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | PDA | MBD8/HHD |
| Matriz | Pó de cobre com pureza de 99,8%. | Pó de cobre eletrolítico com pureza de 99,9%. | Pó de cobre com pureza de 99,9%. | Pó de liga/Cu puro | Pó de cobre puro | Cobre puro em barras ou em blocos |
| Modificação da interface | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Tamanho das partículas (μm) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Fração de volume (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| Temperatura (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| Pressão (MPa) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| Tempo (min) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Densidade Relativa (%) | 98,5 | 99,2–99,7 | – | – | – | 99,4–99,7 |
| Desempenho | ||||||
| Condutividade térmica ideal (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
As técnicas comuns de compósitos Dia/Cu incluem:
(1)Metalurgia do Pó
Pós mistos de diamante/Cu são compactados e sinterizados. Embora econômico e simples, esse método resulta em densidade limitada, microestruturas não homogêneas e dimensões de amostra restritas.
Sunidade de internação
(1)Alta Pressão e Alta Temperatura (HPHT)
Utilizando prensas de bigorna múltipla, o cobre fundido infiltra-se em estruturas de diamante sob condições extremas, produzindo compósitos densos. No entanto, o processo HPHT requer moldes dispendiosos e não é adequado para produção em larga escala.
CImprensa pública
(1)Infiltração por fusão
O cobre fundido permeia pré-formas de diamante por meio de infiltração assistida por pressão ou por capilaridade. Os compósitos resultantes atingem condutividade térmica superior a 446 W/(m·K).
(2)Sinterização por Plasma de Faísca (SPS)
A corrente pulsada sinteriza rapidamente pós misturados sob pressão. Embora eficiente, o desempenho da sinterização por plasma pulsado (SPS) se degrada em frações de diamante superiores a 65% em volume.
Diagrama esquemático do sistema de sinterização por plasma de descarga
(5) Deposição por Aspersão a Frio
Os pós são acelerados e depositados sobre substratos. Esse método emergente enfrenta desafios no controle do acabamento superficial e na validação do desempenho térmico.
03 Modificação da Interface
Para a preparação de materiais compósitos, a molhabilidade mútua entre os componentes é um pré-requisito necessário para o processo de compósito e um fator importante que afeta a estrutura e o estado de ligação da interface. A condição de não molhabilidade na interface entre o diamante e o cobre leva a uma resistência térmica interfacial muito alta. Portanto, é crucial realizar pesquisas de modificação na interface entre os dois por meio de diversas técnicas. Atualmente, existem principalmente dois métodos para melhorar o problema da interface entre o diamante e a matriz de cobre: (1) Tratamento de modificação da superfície do diamante; (2) Tratamento de liga da matriz de cobre.
Diagrama esquemático da modificação: (a) Revestimento direto na superfície do diamante; (b) Liga da matriz
(1) Modificação da superfície do diamante
A deposição de elementos ativos como Mo, Ti, W e Cr na camada superficial da fase de reforço pode melhorar as características interfaciais do diamante, aumentando assim sua condutividade térmica. A sinterização permite que esses elementos reajam com o carbono na superfície do pó de diamante, formando uma camada de transição de carboneto. Isso otimiza a molhabilidade entre o diamante e a base metálica, e o revestimento impede que a estrutura do diamante se altere em altas temperaturas.
(2) Liga da matriz de cobre
Antes do processamento de materiais compósitos, realiza-se um tratamento de pré-ligação no cobre metálico, o que permite produzir materiais compósitos com alta condutividade térmica. A dopagem com elementos ativos na matriz de cobre não só reduz eficazmente o ângulo de contato entre o diamante e o cobre, como também gera uma camada de carboneto solúvel em fase sólida na interface diamante/Cu após a reação. Desta forma, a maioria das lacunas existentes na interface do material são modificadas e preenchidas, melhorando assim a condutividade térmica.
04 Conclusão
Os materiais de encapsulamento convencionais não são suficientes para lidar com o calor gerado por chips avançados. Os compósitos de Dia/Cu, com coeficiente de expansão térmica ajustável e condutividade térmica ultra-alta, representam uma solução transformadora para a eletrônica de próxima geração.
Como uma empresa de alta tecnologia que integra indústria e comércio, a XKH concentra-se na pesquisa, desenvolvimento e produção de compósitos de diamante/cobre e compósitos de matriz metálica de alto desempenho, como SiC/Al e Gr/Cu, fornecendo soluções inovadoras de gerenciamento térmico com condutividade térmica superior a 900 W/(m·K) para os setores de embalagens eletrônicas, módulos de energia e aeroespacial.
XKH'Material compósito laminado revestido de cobre com diamante:
Data de publicação: 12 de maio de 2025