Desde la década de 1980, la densidad de integración de los circuitos electrónicos ha aumentado a un ritmo anual de 1,5 veces o superior. Una mayor integración conlleva mayores densidades de corriente y generación de calor durante el funcionamiento.Si no se disipa de manera eficiente, este calor puede provocar fallos térmicos y reducir la vida útil de los componentes electrónicos.
Para satisfacer las crecientes demandas de gestión térmica, se están investigando y optimizando extensamente materiales de embalaje electrónico avanzados con una conductividad térmica superior.
Material compuesto de diamante/cobre
01 Diamante y cobre
Los materiales de embalaje tradicionales incluyen cerámicas, plásticos, metales y sus aleaciones. Las cerámicas como el BeO y el AlN presentan coeficientes de expansión térmica (CTE) similares a los de los semiconductores, buena estabilidad química y conductividad térmica moderada. Sin embargo, su complejo procesamiento, alto costo (especialmente el BeO, que es tóxico) y fragilidad limitan sus aplicaciones. Los embalajes de plástico ofrecen bajo costo, ligereza y aislamiento, pero presentan baja conductividad térmica e inestabilidad a altas temperaturas. Los metales puros (Cu, Ag, Al) tienen alta conductividad térmica, pero un CTE excesivo, mientras que las aleaciones (Cu-W, Cu-Mo) comprometen el rendimiento térmico. Por lo tanto, se necesitan con urgencia nuevos materiales de embalaje que combinen alta conductividad térmica y un CTE óptimo.
| Reforzamiento | Conductividad térmica (W/(m·K)) | CTE (×10⁻⁶/℃) | Densidad (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 |
| bigotes 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 |
DiamanteEl hierro, el material natural más duro conocido (10 en la escala de Mohs), también posee propiedades excepcionales.conductividad térmica (200–2200 W/(m·K)).
micropulver de diamante
Cobre, con alta conductividad térmica/eléctrica (401 W/(m·K)), ductilidad y rentabilidad, se utiliza ampliamente en los circuitos integrados.
Combinando estas propiedades,compuestos de diamante/cobre (Dia/Cu)—con cobre como matriz y diamante como refuerzo—están emergiendo como materiales de gestión térmica de próxima generación.
02 Métodos clave de fabricación
Los métodos comunes para la preparación de diamante/cobre incluyen: pulvimetalurgia, método de alta temperatura y alta presión, método de inmersión en fundido, método de sinterización por plasma de descarga, método de pulverización en frío, etc.
Comparación de diferentes métodos de preparación, procesos y propiedades de compuestos de diamante/cobre de tamaño de partícula única
| Parámetro | Metalurgia de polvos | Prensado en caliente al vacío | Sinterización por plasma de chispa (SPS) | Alta presión y alta temperatura (HPHT) | Deposición por pulverización en frío | Infiltración de fusión |
| Tipo diamante | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | PDA | MBD8/HD |
| Matriz | Polvo de cobre al 99,8 % | polvo de cobre electrolítico al 99,9 % | Polvo de cobre al 99,9 % | Polvo de aleación/cobre puro | Polvo de cobre puro | Cobre puro a granel/en varilla |
| Modificación de la interfaz | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Tamaño de partícula (μm) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Fracción de volumen (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| Temperatura (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| Presión (MPa) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| Tiempo (min) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Densidad relativa (%) | 98,5 | 99,2–99,7 | – | – | – | 99,4–99,7 |
| Actuación | ||||||
| Conductividad térmica óptima (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
Las técnicas comunes de compuestos Dia/Cu incluyen:
(1)Metalurgia de polvos
Los polvos mixtos de diamante/cobre se compactan y sinterizan. Si bien este método es económico y sencillo, produce una densidad limitada, microestructuras heterogéneas y dimensiones de muestra restringidas.
Sunidad de internamiento
(1)Alta presión y alta temperatura (HPHT)
Mediante prensas de múltiples yunques, el cobre fundido se infiltra en las estructuras de diamante bajo condiciones extremas, produciendo compuestos densos. Sin embargo, el proceso HPHT requiere moldes costosos y no es adecuado para la producción a gran escala.
CPrensa ubica
(1)Infiltración de fusión
El cobre fundido impregna las preformas de diamante mediante infiltración asistida por presión o por capilaridad. Los compuestos resultantes alcanzan una conductividad térmica superior a 446 W/(m·K).
(2)Sinterización por plasma de chispa (SPS)
La corriente pulsada sinteriza rápidamente polvos mezclados bajo presión. Si bien es eficiente, el rendimiento de SPS se degrada con fracciones de diamante superiores al 65 % en volumen.
Diagrama esquemático del sistema de sinterización por plasma de descarga
(5) Deposición por pulverización en frío
Los polvos se aceleran y se depositan sobre sustratos. Este método incipiente presenta desafíos en el control del acabado superficial y la validación del rendimiento térmico.
03 Modificación de la interfaz
Para la preparación de materiales compuestos, la humectación mutua entre los componentes es un requisito indispensable para el proceso de composición y un factor importante que afecta la estructura y el estado de unión de la interfaz. La falta de humectación en la interfaz entre el diamante y el cobre genera una resistencia térmica interfacial muy elevada. Por lo tanto, es crucial investigar la modificación de la interfaz entre ambos mediante diversas técnicas. Actualmente, existen principalmente dos métodos para mejorar la interfaz entre el diamante y la matriz de cobre: (1) Tratamiento de modificación superficial del diamante; (2) Tratamiento de aleación de la matriz de cobre.
Diagrama esquemático de modificación: (a) Recubrimiento directo sobre la superficie del diamante; (b) Aleación de la matriz
(1) Modificación superficial del diamante
El recubrimiento de elementos activos como Mo, Ti, W y Cr en la capa superficial de la fase de refuerzo mejora las características interfaciales del diamante, aumentando así su conductividad térmica. La sinterización permite que estos elementos reaccionen con el carbono de la superficie del polvo de diamante para formar una capa de transición de carburo. Esto optimiza la humectabilidad entre el diamante y la base metálica, y el recubrimiento evita que la estructura del diamante se deteriore a altas temperaturas.
(2) Aleación de la matriz de cobre
Antes del procesamiento de materiales compuestos, se realiza un tratamiento de prealeación en el cobre metálico, lo que permite obtener materiales compuestos con una conductividad térmica generalmente alta. La incorporación de elementos activos en la matriz de cobre no solo reduce eficazmente el ángulo de contacto entre el diamante y el cobre, sino que también genera una capa de carburo soluble en la matriz de cobre en la interfaz diamante/Cu tras la reacción. De esta manera, se modifican y rellenan la mayoría de los huecos existentes en la interfaz del material, mejorando así la conductividad térmica.
04 Conclusión
Los materiales de encapsulado convencionales resultan insuficientes para gestionar el calor generado por los chips avanzados. Los compuestos de diamante/cobre, con un coeficiente de expansión térmica ajustable y una conductividad térmica ultraalta, representan una solución transformadora para la electrónica de próxima generación.
Como empresa de alta tecnología que integra industria y comercio, XKH se centra en la investigación, el desarrollo y la producción de compuestos de diamante/cobre y compuestos de matriz metálica de alto rendimiento como SiC/Al y Gr/Cu, proporcionando soluciones innovadoras de gestión térmica con una conductividad térmica superior a 900 W/(m·K) para los campos del embalaje electrónico, los módulos de potencia y la industria aeroespacial.
XKH'Material compuesto laminado revestido de cobre Diamond:
Fecha de publicación: 12 de mayo de 2025