ડાયમંડ/કોપર કમ્પોઝિટ - આગામી મોટી વાત!

૧૯૮૦ ના દાયકાથી, ઇલેક્ટ્રોનિક સર્કિટની એકીકરણ ઘનતા વાર્ષિક ૧.૫× કે તેથી વધુ ઝડપથી વધી રહી છે. ઉચ્ચ એકીકરણ કામગીરી દરમિયાન વધુ વર્તમાન ઘનતા અને ગરમી ઉત્પન્ન તરફ દોરી જાય છે.જો આ ગરમીનો અસરકારક રીતે ઉપયોગ ન કરવામાં આવે તો, તે થર્મલ નિષ્ફળતાનું કારણ બની શકે છે અને ઇલેક્ટ્રોનિક ઘટકોનું આયુષ્ય ઘટાડી શકે છે.

વધતી જતી થર્મલ મેનેજમેન્ટ માંગને પહોંચી વળવા માટે, શ્રેષ્ઠ થર્મલ વાહકતા ધરાવતી અદ્યતન ઇલેક્ટ્રોનિક પેકેજિંગ સામગ્રીનું વ્યાપક સંશોધન અને ઑપ્ટિમાઇઝેશન કરવામાં આવી રહ્યું છે.

હીરા/તાંબાનું સંયુક્ત મટિરિયલ

01 હીરા અને તાંબુ

પરંપરાગત પેકેજિંગ સામગ્રીમાં સિરામિક્સ, પ્લાસ્ટિક, ધાતુઓ અને તેમના એલોયનો સમાવેશ થાય છે. BeO અને AlN જેવા સિરામિક્સ સેમિકન્ડક્ટર્સ સાથે મેળ ખાતા CTE, સારી રાસાયણિક સ્થિરતા અને મધ્યમ થર્મલ વાહકતા દર્શાવે છે. જો કે, તેમની જટિલ પ્રક્રિયા, ઊંચી કિંમત (ખાસ કરીને ઝેરી BeO), અને બરડપણું એપ્લિકેશનોને મર્યાદિત કરે છે. પ્લાસ્ટિક પેકેજિંગ ઓછી કિંમત, હલકું વજન અને ઇન્સ્યુલેશન પ્રદાન કરે છે પરંતુ નબળી થર્મલ વાહકતા અને ઉચ્ચ-તાપમાન અસ્થિરતાથી પીડાય છે. શુદ્ધ ધાતુઓ (Cu, Ag, Al) ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા ધરાવે છે પરંતુ વધુ પડતું CTE ધરાવે છે, જ્યારે એલોય (Cu-W, Cu-Mo) થર્મલ કામગીરી સાથે સમાધાન કરે છે. આમ, ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા અને શ્રેષ્ઠ CTE ને સંતુલિત કરતી નવી પેકેજિંગ સામગ્રીની તાત્કાલિક જરૂર છે.

ડાયમંડસૌથી કઠણ જાણીતી કુદરતી સામગ્રી (મોહ્સ 10), પણ અસાધારણ ધરાવે છેથર્મલ વાહકતા (200–2200 W/(m·K)).

ડાયમંડ માઇક્રો-પાવડર

કોપર, સાથે ઉચ્ચ થર્મલ/વિદ્યુત વાહકતા (401 W/(m·K))IC માં પ્લાસ્ટિસિટી, પ્લાસ્ટિસિટી અને ખર્ચ કાર્યક્ષમતાનો વ્યાપકપણે ઉપયોગ થાય છે.

આ ગુણધર્મોને જોડીને,ડાયમંડ/કોપર (Dia/Cu) સંયોજનો- મેટ્રિક્સ તરીકે Cu અને મજબૂતીકરણ તરીકે હીરા સાથે - આગામી પેઢીના થર્મલ મેનેજમેન્ટ સામગ્રી તરીકે ઉભરી રહ્યા છે.

02 મુખ્ય ફેબ્રિકેશન પદ્ધતિઓ

હીરા/તાંબુ તૈયાર કરવા માટેની સામાન્ય પદ્ધતિઓમાં શામેલ છે: પાવડર ધાતુશાસ્ત્ર, ઉચ્ચ-તાપમાન અને ઉચ્ચ-દબાણ પદ્ધતિ, ઓગળવાની નિમજ્જન પદ્ધતિ, ડિસ્ચાર્જ પ્લાઝ્મા સિન્ટરિંગ પદ્ધતિ, ઠંડા છંટકાવ પદ્ધતિ, વગેરે.

સિંગલ-કણ કદના હીરા/તાંબાના મિશ્રણની વિવિધ તૈયારી પદ્ધતિઓ, પ્રક્રિયાઓ અને ગુણધર્મોની સરખામણી

સામાન્ય દિયા/ક્યુ સંયુક્ત તકનીકોમાં શામેલ છે:

(૧)પાવડર ધાતુશાસ્ત્ર
મિશ્ર હીરા/ક્યુ પાવડરને કોમ્પેક્ટેડ અને સિન્ટર્ડ કરવામાં આવે છે. ખર્ચ-અસરકારક અને સરળ હોવા છતાં, આ પદ્ધતિ મર્યાદિત ઘનતા, અસમાન સૂક્ષ્મ માળખાં અને મર્યાદિત નમૂના પરિમાણો આપે છે.

Sઇન્ટરિંગ યુનિટ

(૧)ઉચ્ચ-દબાણ ઉચ્ચ-તાપમાન (HPHT)
મલ્ટિ-એવિલ પ્રેસનો ઉપયોગ કરીને, પીગળેલા Cu અત્યંત પરિસ્થિતિઓમાં હીરાની જાળીમાં ઘૂસી જાય છે, જેનાથી ગાઢ સંયોજનો ઉત્પન્ન થાય છે. જો કે, HPHT ને મોંઘા મોલ્ડની જરૂર પડે છે અને તે મોટા પાયે ઉત્પાદન માટે અયોગ્ય છે.

Cયુબિક પ્રેસ

(૧)ઓગળવું ઘૂસણખોરી
પીગળેલા Cu હીરાના પ્રીફોર્મ્સમાં દબાણ-સહાયિત અથવા રુધિરકેશિકા-સંચાલિત ઘૂસણખોરી દ્વારા પ્રવેશ કરે છે. પરિણામી સંયોજનો 446 W/(m·K) થી વધુ થર્મલ વાહકતા પ્રાપ્ત કરે છે.

(૨)સ્પાર્ક પ્લાઝ્મા સિન્ટરિંગ (SPS)
દબાણ હેઠળ સ્પંદિત પ્રવાહ ઝડપથી મિશ્ર પાવડરને સિન્ટર કરે છે. કાર્યક્ષમ હોવા છતાં, હીરાના અપૂર્ણાંક >65 વોલ્યુમ% પર SPS કામગીરી બગડે છે.

ડિસ્ચાર્જ પ્લાઝ્મા સિન્ટરિંગ સિસ્ટમનું યોજનાકીય આકૃતિ

(૫) કોલ્ડ સ્પ્રે ડિપોઝિશન
પાવડરને ઝડપી બનાવવામાં આવે છે અને સબસ્ટ્રેટ પર જમા કરવામાં આવે છે. આ નવી પદ્ધતિ સપાટી પૂર્ણાહુતિ નિયંત્રણ અને થર્મલ કામગીરી માન્યતામાં પડકારોનો સામનો કરે છે.

03 ઇન્ટરફેસ ફેરફાર

સંયુક્ત સામગ્રીની તૈયારી માટે, ઘટકો વચ્ચે પરસ્પર ભીનું થવું એ સંયુક્ત પ્રક્રિયા માટે જરૂરી પૂર્વશરત છે અને ઇન્ટરફેસ માળખું અને ઇન્ટરફેસ બંધન સ્થિતિને અસર કરતું એક મહત્વપૂર્ણ પરિબળ છે. હીરા અને Cu વચ્ચેના ઇન્ટરફેસ પર ભીનું ન થવાની સ્થિતિ ખૂબ જ ઉચ્ચ ઇન્ટરફેસ થર્મલ પ્રતિકાર તરફ દોરી જાય છે. તેથી, વિવિધ તકનીકી માધ્યમો દ્વારા બંને વચ્ચેના ઇન્ટરફેસ પર ફેરફાર સંશોધન હાથ ધરવું ખૂબ જ મહત્વપૂર્ણ છે. હાલમાં, હીરા અને Cu મેટ્રિક્સ વચ્ચેના ઇન્ટરફેસ સમસ્યાને સુધારવા માટે મુખ્યત્વે બે પદ્ધતિઓ છે: (1) હીરાની સપાટી ફેરફાર સારવાર; (2) કોપર મેટ્રિક્સની એલોયિંગ સારવાર.

ફેરફાર યોજનાકીય આકૃતિ: (a) હીરાની સપાટી પર સીધું પ્લેટિંગ; (b) મેટ્રિક્સ એલોયિંગ

(1) હીરાની સપાટીમાં ફેરફાર

રિઇન્ફોર્સિંગ ફેઝના સપાટી સ્તર પર Mo, Ti, W અને Cr જેવા સક્રિય તત્વોનું પ્લેટિંગ કરવાથી હીરાની ઇન્ટરફેસિયલ લાક્ષણિકતાઓમાં સુધારો થઈ શકે છે, જેનાથી તેની થર્મલ વાહકતા વધે છે. સિન્ટરિંગ ઉપરોક્ત તત્વોને હીરા પાવડરની સપાટી પરના કાર્બન સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને કાર્બાઇડ સંક્રમણ સ્તર બનાવવા માટે સક્ષમ બનાવી શકે છે. આ હીરા અને ધાતુના આધાર વચ્ચે ભીની સ્થિતિને શ્રેષ્ઠ બનાવે છે, અને કોટિંગ ઊંચા તાપમાને હીરાની રચનાને બદલાતા અટકાવી શકે છે.

(2) કોપર મેટ્રિક્સનું એલોયિંગ

સામગ્રીની સંયુક્ત પ્રક્રિયા પહેલાં, ધાતુના તાંબા પર પ્રી-એલોયિંગ ટ્રીટમેન્ટ કરવામાં આવે છે, જે સામાન્ય રીતે ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા સાથે સંયુક્ત સામગ્રી ઉત્પન્ન કરી શકે છે. કોપર મેટ્રિક્સમાં સક્રિય તત્વોનું ડોપિંગ માત્ર હીરા અને તાંબા વચ્ચેના ભીનાશના ખૂણાને અસરકારક રીતે ઘટાડી શકતું નથી, પરંતુ પ્રતિક્રિયા પછી હીરા /Cu ઇન્ટરફેસ પર કોપર મેટ્રિક્સમાં ઘન દ્રાવ્ય કાર્બાઇડ સ્તર પણ ઉત્પન્ન કરે છે. આ રીતે, સામગ્રી ઇન્ટરફેસ પર અસ્તિત્વમાં રહેલા મોટાભાગના ગાબડાઓને સંશોધિત અને ભરવામાં આવે છે, જેનાથી થર્મલ વાહકતામાં સુધારો થાય છે.

04 નિષ્કર્ષ

પરંપરાગત પેકેજિંગ સામગ્રી અદ્યતન ચિપ્સમાંથી ગરમીનું સંચાલન કરવામાં ઓછી પડે છે. ટ્યુનેબલ CTE અને અતિ ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા સાથે Dia/Cu કમ્પોઝિટ, આગામી પેઢીના ઇલેક્ટ્રોનિક્સ માટે પરિવર્તનશીલ ઉકેલ રજૂ કરે છે.

ઉદ્યોગ અને વેપારને સંકલિત કરતી એક ઉચ્ચ-ટેક એન્ટરપ્રાઇઝ તરીકે, XKH હીરા/તાંબાના મિશ્રણ અને SiC/Al અને Gr/Cu જેવા ઉચ્ચ-પ્રદર્શન મેટલ મેટ્રિક્સ મિશ્રણના સંશોધન અને વિકાસ અને ઉત્પાદન પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે, જે ઇલેક્ટ્રોનિક પેકેજિંગ, પાવર મોડ્યુલ્સ અને એરોસ્પેસના ક્ષેત્રો માટે 900W/(m·K) થી વધુ થર્મલ વાહકતા સાથે નવીન થર્મલ મેનેજમેન્ટ સોલ્યુશન્સ પ્રદાન કરે છે.

XKH'ડાયમંડ કોપર ક્લેડ લેમિનેટ કમ્પોઝિટ મટિરિયલ: