1980년대 이후 전자 회로의 집적도는 매년 1.5배 이상 빠르게 증가해 왔습니다. 집적도가 높아질수록 전류 밀도가 높아지고 작동 중 발열도 증가합니다.열이 효율적으로 소산되지 않으면 열적 고장이 발생하고 전자 부품의 수명이 단축될 수 있습니다.
점점 높아지는 열 관리 수요를 충족하기 위해, 뛰어난 열전도도를 가진 첨단 전자 패키징 소재에 대한 광범위한 연구와 최적화가 이루어지고 있습니다.
다이아몬드/구리 복합소재
01 다이아몬드와 구리
전통적인 포장재에는 세라믹, 플라스틱, 금속 및 그 합금이 포함됩니다. BeO3와 AlN과 같은 세라믹은 반도체와 유사한 열팽창계수(CTE), 우수한 화학적 안정성, 그리고 적당한 열전도도를 나타냅니다. 그러나 복잡한 공정, 높은 비용(특히 독성이 있는 BeO3), 그리고 취성으로 인해 적용에 제약이 있습니다. 플라스틱 포장재는 저렴하고 가벼우며 단열성이 뛰어나지만 열전도도가 낮고 고온 불안정성이 있습니다. 순수 금속(Cu, Ag, Al)은 높은 열전도도를 나타내지만 CTE가 너무 높고, 합금(Cu-W, Cu-Mo)은 열 성능을 저하시킵니다. 따라서 높은 열전도도와 최적의 CTE를 동시에 만족시키는 새로운 포장재가 시급히 필요합니다.
| 보강 | 열전도도(W/(m·K)) | CTE(×10⁻⁶/℃) | 밀도(g/cm³) |
| 다이아몬드 | 700–2000 | 0.9–1.7 | 3.52 |
| BeO 입자 | 300 | 4.1 | 3.01 |
| AlN 입자 | 150–250 | 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 |
다이아몬드, 가장 단단한 것으로 알려진 천연 재료(모스 10)는 또한 뛰어난열전도도(200–2200 W/(m·K)).
다이아몬드 마이크로 파우더
구리, ~와 함께 높은 열/전기 전도도(401 W/(m·K)), 연성, 비용 효율성이 뛰어나 IC에 널리 사용됩니다.
이러한 속성을 결합하면,다이아몬드/구리(Dia/Cu) 복합재Cu를 매트릭스로, 다이아몬드를 강화재로 사용하는 기술이 차세대 열 관리 소재로 떠오르고 있습니다.
02 주요 제작 방법
다이아몬드/구리를 제조하는 일반적인 방법에는 분말야금법, 고온고압법, 용융침지법, 방전 플라즈마 소결법, 냉간분사법 등이 있습니다.
단일 입자 크기 다이아몬드/구리 복합재의 다양한 제조 방법, 공정 및 특성 비교
| 매개변수 | 분말 야금 | 진공 열간 압착 | 스파크 플라즈마 소결(SPS) | 고압 고온(HPHT) | 콜드 스프레이 증착 | 용융 침투 |
| 다이아몬드 유형 | 엠비디8 | HFD-D | 엠비디8 | 엠비디4 | 피디에이 | MBD8/HHD |
| 행렬 | 99.8% 구리 분말 | 99.9% 전해 구리 분말 | 99.9% 구리 분말 | 합금/순수 구리 분말 | 순수 구리 분말 | 순수 Cu 벌크/막대 |
| 인터페이스 수정 | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| 입자 크기(μm) | 100 | 106–125 | 100~400 | 20~200개 | 35–200 | 50~400 |
| 부피 분율(%) | 20~60세 | 40~60세 | 35–60 | 60–90 | 20~40세 | 60–65 |
| 온도(°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100년–1300년 | 350 | 1100년–1300년 |
| 압력(MPa) | 110 | 70 | 40~50세 | 8000 | 3 | 1–4 |
| 시간(분) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5~30분 |
| 상대 밀도(%) | 98.5 | 99.2–99.7 | – | – | – | 99.4–99.7 |
| 성능 | ||||||
| 최적 열전도도(W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
일반적인 Dia/Cu 복합 기술은 다음과 같습니다.
(1)분말 야금
혼합 다이아몬드/구리 분말을 압축하고 소결합니다. 이 방법은 비용 효율적이고 간단하지만, 밀도가 낮고 미세 구조가 불균일하며 시료 크기가 제한적입니다.
S인터링 유닛
(1)고압 고온(HPHT)
다중 앤빌 프레스를 사용하여 용융 구리를 극한 조건에서 다이아몬드 격자에 침투시켜 치밀한 복합재를 생성합니다. 그러나 고압 고온(HPHT)은 고가의 금형을 필요로 하며 대량 생산에는 적합하지 않습니다.
C유빅 프레스
(1)용융 침투
용융 구리는 압력 보조 또는 모세관 구동 침투를 통해 다이아몬드 프리폼에 침투합니다. 생성된 복합재는 446 W/(m·K) 이상의 열전도도를 보입니다.
(2)스파크 플라즈마 소결(SPS)
펄스 전류는 혼합 분말을 가압 하에서 빠르게 소결시킵니다. SPS는 효율적이지만, 다이아몬드 함량이 65vol%를 초과하면 성능이 저하됩니다.
방전 플라즈마 소결 시스템의 개략도
(5) 콜드 스프레이 증착
분말을 가속하여 기판에 증착합니다. 이 신생 기술은 표면 마감 제어 및 열 성능 검증에 어려움을 겪고 있습니다.
03 인터페이스 수정
복합재료 제조에 있어 구성 요소 간의 상호 습윤은 복합재 제조 공정의 필수 전제 조건이며, 계면 구조 및 계면 결합 상태에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 다이아몬드와 Cu 계면의 비습윤 조건은 매우 높은 계면 열 저항을 초래합니다. 따라서 다양한 기술적 수단을 통해 두 재료의 계면에 대한 개질 연구를 수행하는 것이 매우 중요합니다. 현재 다이아몬드와 Cu 매트릭스 사이의 계면 문제를 개선하는 주요 방법은 크게 두 가지입니다. (1) 다이아몬드 표면 개질 처리; (2) 구리 매트릭스 합금화 처리.
수정 개략도: (a) 다이아몬드 표면에 직접 도금; (b) 매트릭스 합금화
(1) 다이아몬드의 표면개질
강화상 표면층에 Mo, Ti, W, Cr과 같은 활성 원소를 도금하면 다이아몬드의 계면 특성을 개선하여 열전도도를 향상시킬 수 있습니다. 소결을 통해 이러한 원소들이 다이아몬드 분말 표면의 탄소와 반응하여 탄화물 전이층을 형성할 수 있습니다. 이를 통해 다이아몬드와 금속 베이스 사이의 습윤 상태가 최적화되고, 코팅은 고온에서 다이아몬드의 구조 변화를 방지할 수 있습니다.
(2) 구리 매트릭스의 합금화
재료의 복합 가공 전에 금속 구리에 사전 합금화 처리를 실시하여 일반적으로 높은 열전도도를 갖는 복합 재료를 생산할 수 있습니다. 구리 매트릭스에 활성 원소를 도핑하면 다이아몬드와 구리 사이의 젖음각을 효과적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 반응 후 다이아몬드/Cu 계면에서 구리 매트릭스에 고체 용해되는 탄화물 층을 생성할 수 있습니다. 이를 통해 재료 계면에 존재하는 대부분의 간극이 개질되고 메워져 열전도도가 향상됩니다.
04 결론
기존 패키징 소재는 첨단 칩의 열을 효과적으로 제어하지 못합니다. 가변적인 CTE와 초고열전도도를 갖춘 Dia/Cu 복합소재는 차세대 전자 제품을 위한 혁신적인 솔루션을 제시합니다.
XKH는 산업과 무역을 통합한 첨단 기술 기업으로서, SiC/Al, Gr/Cu와 같은 다이아몬드/구리 복합재 및 고성능 금속 매트릭스 복합재의 연구, 개발 및 생산에 주력하고 있으며, 전자 패키징, 전력 모듈, 항공우주 분야를 위한 900W/(m·K) 이상의 열전도도를 갖춘 혁신적인 열 관리 솔루션을 제공합니다.
XKH's 다이아몬드 구리 피복 적층 복합 재료:
게시 시간: 2025년 5월 12일