5G 시대에 다이아몬드/금속 복합재료가 과열된 반도체 소자를 살릴 수 있을까?

전자 기술의 급속한 발전으로 통신 기술은 점차 5G 시대에 진입했습니다. 반도체 소재가 지속적으로 업데이트되고 있는 가운데 집적회로 역시 대면적화, 고집적화, 고출력화 방향으로 움직이고 있다. SiC 및 GaN으로 대표되는 광대역 갭 반도체 재료의 적용은 IGBT(절연 게이트 바이폴라 트랜지스터)의 급속한 개발로 이어졌으며, 이는 차세대 정보 기술에 대한 새로운 상황을 열어주고 있습니다.

고전력 및 고전류 밀도는 IGBT 칩의 개발 추세이며 필연적으로 전자 부품의 과열을 유발할 것입니다. 연구 데이터에 따르면 칩 표면 온도가 70-80°C에 도달하면 온도가 1°C 올라갈 때마다 칩의 신뢰성이 5%씩 감소합니다. 전자기기 고장의 55% 이상은 과도한 온도로 인해 발생합니다. 방열 문제를 해결하기 위해 보다 효율적인 냉각 기술을 채택하는 것 외에도 열전도율이 400W/(m·K) 이상이고 반도체 소재에 맞는 팽창 계수를 가진 새로운 경량 전자 패키징 소재 개발이 시급합니다. 새로운 형태의 전자 패키징 재료로서 다이아몬드/금속 복합재료는 10년 이상의 연구개발 끝에 점차 무대의 중심으로 옮겨 왔으며 많은 기대를 받고 있습니다.

다이아몬드는 큰 금지 대역 폭, 높은 경도 및 열전도율, 높은 전자 포화 드리프트 속도, 고온 저항, 내식성 및 복사 저항과 같은 우수한 성능을 가지고 있습니다. 그것은 고전압 및 고효율 전력 전자, 고주파 및 고전력 마이크로 전자, 심자외선 광전자 및 기타 분야에 사용되며 응용 가능성이 매우 중요합니다. 다이아몬드는 현재 알려진 천연물 중 가장 높은 열전도율(2200W/(m·K))을 가지고 있어 탄화규소(SiC)보다 4배, 실리콘(Si)보다 13배, 비화갈륨(GaAs)보다 큽니다. ) 43배 더 크며, 이는 구리, 은의 4~5배입니다. 현재 다이아몬드/금속 방열 복합 재료가 유망합니다.

다이아몬드는 탄소 원자의 공유 결합에 의해 형성된 입방체 결정입니다. 다이아몬드의 많은 극한 특성은 단단한 구조와 적은 수의 탄소 원자를 형성하는 sp³ 공유 결합 강도의 직접적인 결과입니다. 금속은 자유 전자를 통해 열을 전도하며 높은 열 전도율은 높은 전기 전도율과 관련이 있습니다. 대조적으로, 다이아몬드의 열 전도는 격자 진동(즉, 포논)에 의해서만 달성됩니다. 다이아몬드 원자 간의 매우 강한 공유 결합으로 인해 단단한 결정 격자는 높은 진동 주파수를 가지므로 Debye 특성 온도는 2220K로 높습니다. 대부분의 애플리케이션은 Debye 온도보다 훨씬 낮기 때문에 포논 산란이 작아서 포논을 매질로 한 열전도 저항이 극히 작습니다. 그러나 격자 결함은 포논 산란을 생성하여 모든 결정 재료의 고유 특성인 열전도율을 감소시킵니다.

다이아몬드/구리 복합 재료의 열전도율은 주로 복합 재료 계면의 설계 및 준비 과정, 특히 구리 매트릭스, 다이아몬드의 고유 열전도율, 다이아몬드의 부피 분율, 입자 크기 및 둘 사이의 인터페이스 또한 특히 중요합니다. 일반적으로 완전한 결정 형태, 낮은 질소 함량, 100-500 um 크기의 다이아몬드는 표면이 흑연과 같은 상으로 변형되는 것을 방지하고 복합재에서 다이아몬드의 부피 분율을 증가시키기 위해 복합 재료의 강화상으로 사용됩니다. 재료 및 고품질 다이아몬드/구리 복합 재료를 얻는 데 도움이 됩니다.

전력 밀도가 계속 증가하는 반도체 부품 앞에서 다이아몬드/금속 복합 재료가 빠른 방열을 달성할 수 있을지 귀추가 주목됩니다.