1980년대 이후 전자 회로의 집적 밀도는 매년 1.5배 이상 증가해 왔습니다. 집적도가 높아질수록 전류 밀도가 높아지고 작동 중 발열량도 증가합니다.이 열이 효율적으로 방출되지 않으면 열적 고장을 일으켜 전자 부품의 수명을 단축시킬 수 있습니다.
급증하는 열 관리 요구 사항을 충족하기 위해 우수한 열전도율을 갖춘 첨단 전자 패키징 소재에 대한 연구 및 최적화가 광범위하게 진행되고 있습니다.
다이아몬드/구리 복합 소재
01 다이아몬드와 구리
기존 포장재로는 세라믹, 플라스틱, 금속 및 이들의 합금이 있습니다. 베릴륨 산화물(BeO)이나 알루미늄 산화물(AlN)과 같은 세라믹은 반도체와 유사한 열팽창 계수(CTE)를 가지며, 화학적 안정성이 우수하고 열전도율이 적당합니다. 그러나 복잡한 공정, 높은 비용(특히 독성이 있는 BeO), 그리고 취성으로 인해 적용 분야가 제한적입니다. 플라스틱 포장재는 저렴한 비용, 가벼운 무게, 그리고 단열성을 제공하지만 열전도율이 낮고 고온에서 불안정하다는 단점이 있습니다. 순수 금속(구리, 은, 알루미늄)은 열전도율이 높지만 CTE가 과도하고, 합금(구리-텅스텐, 구리-몰리브덴)은 열 성능이 저하됩니다. 따라서 높은 열전도율과 최적의 CTE를 균형 있게 갖춘 새로운 포장재 개발이 시급합니다.
| 보강 | 열전도율 (W/(m·K)) | 열팽창계수(×10⁻⁶/℃) | 밀도 (g/cm³) |
| 다이아몬드 | 700~2000 | 0.9–1.7 | 3.52 |
| BeO 입자 | 300 | 4.1 | 3.01 |
| AlN 입자 | 150~250개 | 2.69 | 3.26 |
| SiC 입자 | 80~200 | 4.0 | 3.21 |
| B₄C 입자 | 29–67 | 4.4 | 2.52 |
| 붕소 섬유 | 40 | ~5.0 | 2.6 |
| TiC 입자 | 40 | 7.4 | 4.92 |
| Al₂O₃ 입자 | 20~40세 | 4.4 | 3.98 |
| SiC 위스커 | 32 | 3.4 | – |
| Si₃N₄ 입자 | 28 | 1.44 | 3.18 |
| TiB₂ 입자 | 25 | 4.6 | 4.5 |
| SiO₂ 입자 | 1.4 | <1.0 | 2.65 |
다이아몬드가장 단단한 천연 물질(모스 경도 10)인 에테르는 또한 탁월한 특성을 지니고 있습니다.열전도율 (200–2200 W/(m·K)).
다이아몬드 미세 분말
구리, ~와 함께 높은 열전도율/전기전도율(401 W/(m·K))연성 및 비용 효율성이 뛰어나 IC에 널리 사용됩니다.
이러한 특성들을 결합하면,다이아몬드/구리(Dia/Cu) 복합재구리를 기지재로, 다이아몬드를 보강재로 사용하는 이 소재들은 차세대 열 관리 소재로 떠오르고 있습니다.
02 주요 제조 방법
다이아몬드/구리 제조에 사용되는 일반적인 방법으로는 분말 야금법, 고온 고압법, 용융 침지법, 방전 플라즈마 소결법, 냉간 분사법 등이 있다.
단일 입자 크기 다이아몬드/구리 복합재료의 다양한 제조 방법, 공정 및 특성 비교
| 매개변수 | 분말야금 | 진공 열압착 | 스파크 플라즈마 소결(SPS) | 고압 고온(HPHT) | 저온 분무 증착 | 용융 침투 |
| 다이아몬드형 | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | PDA | MBD8/HHD |
| 행렬 | 99.8% 구리 분말 | 99.9% 전해 구리 분말 | 99.9% 구리 분말 | 합금/순수 구리 분말 | 순수 구리 분말 | 순수 구리 벌크/로드 |
| 인터페이스 수정 | – | – | – | 붕소, 티타늄, 규소, 크롬, 지르코늄, 텅스텐, 몰리브덴 | – | – |
| 입자 크기(μm) | 100 | 106–125 | 100~400 | 20~200 | 35~200 | 50~400 |
| 부피 분율(%) | 20~60세 | 40~60세 | 35~60세 | 60~90세 | 20~40세 | 60~65세 |
| 온도 (°C) | 900 | 800~1050 | 880~950 | 1100~1300 | 350 | 1100~1300 |
| 압력(MPa) | 110 | 70 | 40~50세 | 8000 | 3 | 1~4 |
| 시간(분) | 60 | 60~180 | 20 | 6~10세 | – | 5~30세 |
| 상대 밀도(%) | 98.5 | 99.2–99.7 | – | – | – | 99.4–99.7 |
| 성능 | ||||||
| 최적 열전도율 (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
일반적인 Dia/Cu 복합 기술은 다음과 같습니다.
(1)분말야금
다이아몬드/구리 혼합 분말을 압축 및 소결하는 방법입니다. 이 방법은 비용 효율적이고 간단하지만, 밀도가 낮고 미세 구조가 불균일하며 시료 크기가 제한적이라는 단점이 있습니다.
S인터링 유닛
(1)고압 고온(HPHT)
다중 앤빌 프레스를 사용하면 용융된 구리가 극한 조건에서 다이아몬드 격자에 침투하여 고밀도 복합재를 생성합니다. 그러나 고압고온(HPHT) 공정은 고가의 금형이 필요하며 대규모 생산에는 적합하지 않습니다.
C유빅 프레스
(1)용융 침투
용융된 구리는 압력 보조 또는 모세관 현상에 의한 침투를 통해 다이아몬드 프리폼에 스며듭니다. 결과적으로 얻어진 복합재료는 446 W/(m·K) 이상의 열전도율을 달성합니다.
(2)스파크 플라즈마 소결(SPS)
펄스 전류는 압력 하에서 혼합 분말을 빠르게 소결합니다. 효율적이긴 하지만, SPS 성능은 다이아몬드 함량이 65 vol%를 초과하면 저하됩니다.
방전 플라즈마 소결 시스템의 개략도
(5) 냉간 분무 증착
분말을 가속시켜 기판 위에 증착하는 방식입니다. 이 신생 기술은 표면 마감 제어 및 열 성능 검증 측면에서 여러 가지 어려움에 직면해 있습니다.
03 인터페이스 수정
복합재료 제조에 있어서 구성 요소 간의 상호 습윤성은 복합 공정의 필수 전제 조건이며 계면 구조 및 계면 결합 상태에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 다이아몬드와 구리 사이의 계면에서 비습윤 조건은 매우 높은 계면 열 저항을 초래합니다. 따라서 다양한 기술적 수단을 통해 두 물질 사이의 계면을 개선하기 위한 연구를 수행하는 것이 매우 중요합니다. 현재 다이아몬드와 구리 기지 사이의 계면 문제를 개선하는 방법은 크게 두 가지가 있습니다. (1) 다이아몬드의 표면 개질 처리; (2) 구리 기지의 합금 처리.
개질 개략도: (a) 다이아몬드 표면 직접 도금; (b) 기지 합금
(1) 다이아몬드의 표면 개질
강화상 표면층에 Mo, Ti, W, Cr과 같은 활성 원소를 도금하면 다이아몬드의 계면 특성이 향상되어 열전도율이 높아집니다. 소결 과정을 통해 이러한 원소들이 다이아몬드 분말 표면의 탄소와 반응하여 탄화물 전이층을 형성할 수 있습니다. 이는 다이아몬드와 금속 기판 사이의 젖음성을 최적화하고, 고온에서 다이아몬드 구조의 변화를 방지합니다.
(2) 구리 매트릭스의 합금화
복합재료 가공에 앞서, 금속 구리에 사전 합금 처리를 하면 일반적으로 열전도율이 높은 복합재료를 얻을 수 있습니다. 구리 매트릭스에 활성 원소를 도핑하면 다이아몬드와 구리 사이의 접촉각을 효과적으로 줄일 뿐만 아니라, 반응 후 다이아몬드/구리 계면에서 구리 매트릭스에 고용체로 용해되는 탄화물 층을 생성합니다. 이러한 방식으로 재료 계면에 존재하는 대부분의 틈이 메워지고 개선되어 열전도율이 향상됩니다.
04 결론
기존의 패키징 소재는 첨단 칩에서 발생하는 열을 효과적으로 제어하는 데 한계가 있습니다. 열팽창 계수(CTE)를 조절할 수 있고 초고열전도율을 자랑하는 다이아/구리 복합 소재는 차세대 전자 기기에 혁신적인 해결책을 제시합니다.
산업과 무역을 통합한 첨단 기술 기업인 XKH는 다이아몬드/구리 복합재 및 SiC/Al, Gr/Cu와 같은 고성능 금속 매트릭스 복합재의 연구 개발 및 생산에 주력하여 전자 패키징, 전력 모듈 및 항공우주 분야에 900W/(m·K) 이상의 열전도율을 갖춘 혁신적인 열 관리 솔루션을 제공합니다.
XKH's 다이아몬드 구리 피복 적층 복합 재료:
게시 시간: 2025년 5월 12일