Desde la década de 1980, la densidad de integración de los circuitos electrónicos ha aumentado a un ritmo anual de 1,5 veces o más. 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 fallas térmicas y reducir la vida útil de los componentes electrónicos.
Para satisfacer las crecientes demandas de gestión térmica, se están investigando y optimizando exhaustivamente materiales de embalaje electrónico avanzados con conductividad térmica superior.
Material compuesto de diamante y cobre
01 Diamante y Cobre
Los materiales de embalaje tradicionales incluyen cerámica, plásticos, metales y sus aleaciones. Cerámicas como el BeO y el AlN presentan un CTE equivalente al de los semiconductores, buena estabilidad química y una conductividad térmica moderada. Sin embargo, su procesamiento complejo, su alto coste (especialmente el BeO, que es tóxico) y su fragilidad limitan sus aplicaciones. Los embalajes de plástico ofrecen bajo coste, ligereza y aislamiento, pero presentan baja conductividad térmica e inestabilidad a altas temperaturas. Los metales puros (Cu, Ag, Al) presentan una alta conductividad térmica, pero un CTE excesivo, mientras que las aleaciones (Cu-W, Cu-Mo) comprometen el rendimiento térmico. Por lo tanto, se necesitan urgentemente nuevos materiales de embalaje que equilibren una 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 |
Diamante, el material natural más duro conocido (Mohs 10), también posee propiedades excepcionalesconductividad térmica (200–2200 W/(m·K)).
Micropolvo de diamante
Cobre, con alta conductividad térmica/eléctrica (401 W/(m·K)), ductilidad y rentabilidad, se utiliza ampliamente en circuitos integrados.
Combinando estas propiedades,compuestos de diamante/cobre (Dia/Cu)—con Cu como matriz y diamante como refuerzo— están surgiendo como materiales de gestión térmica de próxima generación.
02 Métodos de fabricación clave
Los métodos comunes para preparar diamante/cobre incluyen: pulvimetalurgia, método de alta temperatura y alta presión, método de inmersión en fusión, 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 y cobre de tamaño de partícula único
| 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 material fundido |
| Tipo de diamante | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | PDA | MBD8/HHD |
| Matriz | Polvo de Cu al 99,8 % | Polvo electrolítico de Cu al 99,9 % | Polvo de Cu al 99,9 % | Polvo de Cu puro/aleación | Polvo de Cu puro | Cu 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/Cu se compactan y sinterizan. Si bien es rentable y sencillo, este método produce una densidad limitada, microestructuras no homogéneas y dimensiones de muestra limitadas.
Sunidad de intering
(1)Alta presión y alta temperatura (HPHT)
Mediante prensas multiyunque, el Cu fundido se infiltra en las redes de diamante en condiciones extremas, produciendo compuestos densos. Sin embargo, la HPHT requiere moldes costosos y no es adecuada para la producción a gran escala.
Cprensa ubica
(1)Infiltración de material fundido
El Cu fundido permea las preformas de diamante mediante infiltración asistida por presión o capilar. Los compuestos resultantes alcanzan una conductividad térmica >446 W/(m·K).
(2)Sinterización por plasma de chispa (SPS)
La corriente pulsada sinteriza rápidamente polvos mixtos bajo presión. Si bien es eficiente, el rendimiento del SPS se degrada con fracciones de diamante superiores al 65 % vol.
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 emergente enfrenta 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 previo necesario y un factor importante que afecta la estructura y el estado de unión de la interfaz. La ausencia de humectación en la interfaz entre el diamante y el cobre produce una resistencia térmica muy alta. Por lo tanto, es crucial realizar investigaciones sobre la modificación de la interfaz mediante diversos métodos técnicos. Actualmente, existen principalmente dos métodos para mejorar el problema de 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 matriz
(1) Modificación de la superficie del diamante
El recubrimiento de elementos activos como Mo, Ti, W y Cr en la capa superficial de la fase de refuerzo puede mejorar las características interfaciales del diamante, mejorando 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 el estado de humectación entre el diamante y la base metálica, y el recubrimiento previene la alteración de la estructura del diamante a altas temperaturas.
(2) Aleación de la matriz de cobre
Antes del procesamiento de materiales compuestos, se realiza un tratamiento de prealeación del cobre metálico, lo que permite producir materiales compuestos con una conductividad térmica generalmente alta. La dopación de elementos activos en la matriz de cobre no solo reduce eficazmente el ángulo de humectación 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 después de 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 empaquetado convencionales no logran gestionar el calor de los chips avanzados. Los compuestos de Dia/Cu, con un CTE ajustable y una conductividad térmica ultraalta, representan una solución transformadora para la electrónica de próxima generación.
Como empresa de alta tecnología que integra la industria y el 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 de más de 900 W/(m·K) para los campos de empaquetado electrónico, módulos de potencia y aeroespacial.
XKH's Material compuesto laminado revestido de cobre con diamante:
Hora de publicación: 12 de mayo de 2025