การประยุกต์ใช้เพชรในพื้นผิวบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ใหม่

เทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่กำลังพัฒนาอย่างรวดเร็ว และระบบอิเล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์กำลังพัฒนาไปในทิศทางของการรวมระบบขนาดใหญ่ การทำให้มีขนาดเล็กลง ประสิทธิภาพสูง และความน่าเชื่อถือสูง การเพิ่มการรวมระบบอิเล็กทรอนิกส์จะนำไปสู่ความหนาแน่นของพลังงานที่เพิ่มขึ้น เช่นเดียวกับความร้อนที่เพิ่มขึ้นที่เกิดจากชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์และการทำงานโดยรวมของระบบ ดังนั้นบรรจุภัณฑ์ที่มีประสิทธิภาพจะต้องแก้ปัญหาการระบายความร้อนของระบบอิเล็กทรอนิกส์

การกระจายความร้อนของอุปกรณ์ที่ดีขึ้นอยู่กับการออกแบบโครงสร้างการกระจายความร้อนที่เหมาะสม การเลือกวัสดุบรรจุภัณฑ์ (วัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อนและพื้นผิวการกระจายความร้อน) และกระบวนการผลิตบรรจุภัณฑ์ ในหมู่พวกเขา การเลือกวัสดุพื้นผิวเป็นลิงค์สำคัญซึ่งส่งผลโดยตรงต่อต้นทุน ประสิทธิภาพ และความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์ โดยทั่วไปแล้ว การใช้วัสดุบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์จำเป็นต้องพิจารณาข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพพื้นฐานสองประการ ประการแรกคือการนำความร้อนสูงเพื่อให้เกิดการถ่ายเทความร้อนอย่างรวดเร็ว และรับประกันว่าชิปสามารถทำงานได้อย่างเสถียรภายใต้สภาวะอุณหภูมิที่เหมาะสม ในเวลาเดียวกัน วัสดุบรรจุภัณฑ์ต้องเชื่อถือได้ ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่ปรับได้ เพื่อให้สอดคล้องกับชิปและวัสดุบรรจุภัณฑ์ทุกระดับ และลดผลกระทบจากความเครียดจากความร้อน เส้นทางการพัฒนาของวัสดุบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์คือการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องและเพิ่มประสิทธิภาพของคุณสมบัติทั้งสองนี้

 

แน่นอน วัสดุพื้นผิวบรรจุภัณฑ์ใหม่จำเป็นต้องพิจารณาคุณสมบัติอื่นๆ ด้วย เช่น ความต้านทานสูง ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำ การสูญเสียไดอิเล็กตริก การจับคู่ทางความร้อนที่ดีกับซิลิกอนและแกลเลียมอาร์เซไนด์ ความเรียบของพื้นผิวสูง คุณสมบัติเชิงกลที่ดี ความง่ายในการผลิตทางอุตสาหกรรม และลักษณะอื่นๆ ดังนั้นการเลือกวัสดุพื้นผิวบรรจุภัณฑ์ใหม่จึงเป็นจุดสนใจสำหรับการวิจัยและพัฒนาในประเทศต่างๆ ในปัจจุบัน พื้นผิวบรรจุภัณฑ์ที่ใช้กันทั่วไปหลายชนิด ได้แก่ เซรามิก Al2O3, เซรามิก SiC, AlN และวัสดุอื่นๆ

 

ในปี 1929 บริษัท Siemens ของเยอรมันประสบความสำเร็จในการพัฒนาเซรามิก Al2O3 แต่ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนและค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของ Al2O3 นั้นสูงกว่าของผลึกเดี่ยว Si และค่าการนำความร้อนไม่สูงพอ ดังนั้นพื้นผิวเซรามิก Al2O3 จึงไม่เหมาะสำหรับพื้นผิวเซรามิกที่มีอุณหภูมิสูง ความถี่ พลังงานขนาดใหญ่ ใช้ใน VLSI

 

ต่อจากนี้ วัสดุพื้นผิวเซรามิกการนำความร้อนสูง SiC, AlN, SI3N4 และเพชรค่อยๆ เข้าสู่ตลาด

ค่าการนำความร้อนของเซรามิก SiC นั้นสูงมาก และยิ่งการตกผลึกของ SiC มีความบริสุทธิ์สูง ค่าการนำความร้อนก็จะยิ่งสูงขึ้น ข้อเสียที่ใหญ่ที่สุดของ SiC คือค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสูงเกินไปและค่าความเป็นไดอิเล็กตริกต่ำ ดังนั้นจึงจำกัดการใช้งานความถี่สูงและเหมาะสำหรับบรรจุภัณฑ์ที่มีความหนาแน่นต่ำเท่านั้น

 

วัสดุ AlN มีคุณสมบัติไดอิเล็กตริกที่ยอดเยี่ยมและคุณสมบัติทางเคมีที่เสถียร โดยเฉพาะอย่างยิ่งค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่ตรงกับซิลิกอน ดังนั้นจึงสามารถใช้เป็นวัสดุพื้นผิวบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีแนวโน้มการพัฒนาที่ดี อย่างไรก็ตาม ค่าการนำความร้อนต่ำ และเนื่องจากบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์มีความต้องการการกระจายความร้อนสูงขึ้นเรื่อยๆ วัสดุ AlN จึงมีปัญหาคอขวดในการพัฒนาเช่นกัน

 

ในที่สุดเพชรก็โดดเด่น เพชรมีคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ที่ครอบคลุมดีมาก ค่าการนำความร้อนที่อุณหภูมิห้องคือ {{0}}W/(m·K) และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนคือ 0.8×10-6/K มีศักยภาพสูงในด้านเซมิคอนดักเตอร์ ออปติก ฯลฯ คุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมมากมาย แต่เพชรเม็ดเดียวไม่ง่ายเลยที่จะผลิตเป็นวัสดุบรรจุภัณฑ์ และต้นทุนก็สูง

 

ตามกฎการผสม เมทริกซ์ผสมเพชร/โลหะที่เตรียมโดยการเติมอนุภาคเพชรลงใน Ag, Cu, Al และเมทริกซ์โลหะที่มีค่าการนำความร้อนสูงอื่นๆ คาดว่าจะกลายเป็นวัสดุบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ชนิดใหม่ที่มีทั้งค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำและความร้อนสูง การนำไฟฟ้า จากการนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมและการนำความร้อนสูงของทองแดง วัสดุผสมเพชร/ทองแดงได้รับการพัฒนาเป็นวัสดุตั้งต้นสำหรับบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ และได้รับการยืนยันว่าวัสดุผสมเพชร/ทองแดงมีการชุบและการบัดกรีที่ดี ซึ่งเป็นไปตามข้อกำหนดอิเล็กทรอนิกส์ วัสดุพื้นผิวบรรจุภัณฑ์ต้องการค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำและค่าการนำความร้อนสูง และเมื่อเปรียบเทียบกับโลหะผสม Mo/Cu แล้ว พวกมันมีความหนาแน่นต่ำกว่าและน้ำหนักเบากว่า

 

ดังนั้นวัสดุผสมเพชร/ทองแดงที่มีเพชรเป็นเฟสเสริมแรงและทองแดงเป็นวัสดุเมทริกซ์ วัสดุสามารถใช้สำหรับบรรจุภัณฑ์ชิป ซึ่งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และช่วยลดน้ำหนักของอุปกรณ์

ด้วยการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องของปัญหาทางเทคนิคในวัสดุ อุปกรณ์ ฯลฯ เพชรจึงกลายเป็นวัสดุตั้งต้นที่มีค่าการนำความร้อนสูงและกระจายความร้อนได้ดี มีแนวโน้มการใช้งานที่กว้างขวางในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงขึ้น วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ดีที่สุดสำหรับอุปกรณ์ความหนาแน่นพลังงาน ศักยภาพมหาศาลดึงดูดนักวิจัยจำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ ให้ทุ่มเทให้กับมัน ศักยภาพของเพชรจะค่อยๆ พัฒนาขึ้นเพื่อตอบสนองความต้องการของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ในอนาคต และครองตำแหน่งในวัสดุบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์เซมิคอนดักเตอร์