Depuis les années 1980, la densité d'intégration des circuits électroniques augmente à un rythme annuel de 1,5 fois ou plus. Une intégration plus poussée entraîne des densités de courant et une production de chaleur plus importantes en fonctionnement.Si cette chaleur n’est pas dissipée efficacement, elle peut provoquer une défaillance thermique et réduire la durée de vie des composants électroniques.
Pour répondre aux exigences croissantes en matière de gestion thermique, des matériaux d’emballage électronique avancés dotés d’une conductivité thermique supérieure font l’objet de recherches et d’optimisations approfondies.
Matériau composite diamant/cuivre
01 Diamant et Cuivre
Les matériaux d'emballage traditionnels comprennent les céramiques, les plastiques, les métaux et leurs alliages. Les céramiques comme BeO et AlN présentent un CTE comparable à celui des semi-conducteurs, une bonne stabilité chimique et une conductivité thermique modérée. Cependant, leur mise en œuvre complexe, leur coût élevé (notamment la toxicité du BeO) et leur fragilité limitent les applications. Les emballages plastiques offrent un faible coût, une légèreté et une bonne isolation, mais souffrent d'une faible conductivité thermique et d'une instabilité à haute température. Les métaux purs (Cu, Ag, Al) présentent une conductivité thermique élevée mais un CTE excessif, tandis que les alliages (Cu-W, Cu-Mo) compromettent les performances thermiques. Il est donc urgent de trouver de nouveaux matériaux d'emballage alliant conductivité thermique élevée et CTE optimal.
| Renforcement | Conductivité thermique (W/(m·K)) | CDT (×10⁻⁶/℃) | Densité (g/cm³) |
| Diamant | 700–2000 | 0,9–1,7 | 3,52 |
| Particules de BeO | 300 | 4.1 | 3.01 |
| Particules d'AlN | 150–250 | 2,69 | 3.26 |
| particules de SiC | 80–200 | 4.0 | 3.21 |
| Particules B₄C | 29–67 | 4.4 | 2,52 |
| Fibre de bore | 40 | ~5.0 | 2.6 |
| Particules de TiC | 40 | 7.4 | 4,92 |
| Particules d'Al₂O₃ | 20–40 | 4.4 | 3,98 |
| moustaches de SiC | 32 | 3.4 | – |
| Particules de Si₃N₄ | 28 | 1.44 | 3.18 |
| Particules de TiB₂ | 25 | 4.6 | 4,5 |
| particules de SiO₂ | 1.4 | <1,0 | 2,65 |
Diamant, le matériau naturel le plus dur connu (Mohs 10), possède également des propriétés exceptionnellesconductivité thermique (200–2200 W/(m·K)).
Micro-poudre de diamant
Cuivre, avec conductivité thermique/électrique élevée (401 W/(m·K)), la ductilité et la rentabilité sont largement utilisées dans les circuits intégrés.
En combinant ces propriétés,composites diamant/cuivre (Dia/Cu)—avec du cuivre comme matrice et du diamant comme renfort— émergent comme matériaux de gestion thermique de nouvelle génération.
02 Méthodes de fabrication clés
Les méthodes courantes de préparation du diamant/cuivre comprennent : la métallurgie des poudres, la méthode à haute température et haute pression, la méthode d'immersion en fusion, la méthode de frittage par plasma de décharge, la méthode de projection à froid, etc.
Comparaison de différentes méthodes de préparation, procédés et propriétés de composites diamant/cuivre à taille de particule unique
| Paramètre | Métallurgie des poudres | Pressage à chaud sous vide | Frittage par plasma d'étincelles (SPS) | Haute pression et haute température (HPHT) | Dépôt par pulvérisation à froid | Infiltration de fonte |
| Type de diamant | MBD8 | HFD-D | MBD8 | MBD4 | PDA | MBD8/HHD |
| Matrice | Poudre de cuivre à 99,8 % | Poudre de cuivre électrolytique à 99,9 % | Poudre de cuivre à 99,9 % | Alliage/poudre de cuivre pur | Poudre de cuivre pur | Cuivre pur en vrac/tige |
| Modification de l'interface | – | – | – | B, Ti, Si, Cr, Zr, W, Mo | – | – |
| Taille des particules (μm) | 100 | 106–125 | 100–400 | 20–200 | 35–200 | 50–400 |
| Fraction volumique (%) | 20–60 | 40–60 | 35–60 | 60–90 | 20–40 | 60–65 |
| Température (°C) | 900 | 800–1050 | 880–950 | 1100–1300 | 350 | 1100–1300 |
| Pression (MPa) | 110 | 70 | 40–50 | 8000 | 3 | 1–4 |
| Temps (min) | 60 | 60–180 | 20 | 6–10 | – | 5–30 |
| Densité relative (%) | 98,5 | 99,2–99,7 | – | – | – | 99,4–99,7 |
| Performance | ||||||
| Conductivité thermique optimale (W/(m·K)) | 305 | 536 | 687 | 907 | – | 943 |
Les techniques composites Dia/Cu courantes comprennent :
(1)Métallurgie des poudres
Des poudres mixtes diamant/cuivre sont compactées et frittées. Bien que simple et économique, cette méthode produit une densité limitée, des microstructures hétérogènes et des dimensions d'échantillon restreintes.
Sunité d'insertion
(1)Haute pression et haute température (HPHT)
Grâce à des presses multi-enclumes, le cuivre fondu s'infiltre dans les réseaux de diamant dans des conditions extrêmes, produisant des composites denses. Cependant, le procédé HPHT nécessite des moules coûteux et ne convient pas à la production à grande échelle.
Cpresse ubique
(1)Infiltration de fonte
Le cuivre fondu imprègne les préformes de diamant par infiltration assistée par pression ou par capillarité. Les composites obtenus atteignent une conductivité thermique supérieure à 446 W/(m·K).
(2)Frittage par plasma d'étincelles (SPS)
Le courant pulsé fritte rapidement les poudres mélangées sous pression. Bien qu'efficace, le SPS se dégrade lorsque la fraction de diamant est supérieure à 65 % vol.
Schéma du système de frittage par plasma de décharge
(5) Dépôt par pulvérisation à froid
Les poudres sont accélérées et déposées sur des substrats. Cette méthode naissante se heurte à des difficultés de contrôle de l'état de surface et de validation des performances thermiques.
03 Modification de l'interface
Pour la préparation de matériaux composites, le mouillage mutuel entre les composants est une condition préalable essentielle au processus composite et un facteur important affectant la structure et l'état de liaison de l'interface. L'absence de mouillage à l'interface diamant-cuivre entraîne une résistance thermique très élevée. Il est donc crucial de mener des recherches sur la modification de l'interface entre les deux par divers moyens techniques. Actuellement, deux méthodes principales permettent d'améliorer le problème d'interface entre le diamant et la matrice de cuivre : (1) la modification de surface du diamant ; (2) l'alliage de la matrice de cuivre.
Schéma de modification : (a) Placage direct sur la surface du diamant ; (b) Alliage matriciel
(1) Modification de surface du diamant
Le dépôt d'éléments actifs tels que Mo, Ti, W et Cr sur la couche superficielle de la phase de renforcement peut améliorer les caractéristiques interfaciales du diamant, augmentant ainsi sa conductivité thermique. Le frittage permet à ces éléments de réagir avec le carbone présent à la surface de la poudre de diamant pour former une couche de transition en carbure. Cela optimise l'état de mouillage entre le diamant et la base métallique, et le revêtement peut empêcher la structure du diamant de se déformer à haute température.
(2) Alliage de la matrice de cuivre
Avant la transformation des matériaux composites, un traitement de préalliage est effectué sur le cuivre métallique, ce qui permet d'obtenir des matériaux composites présentant généralement une conductivité thermique élevée. Le dopage d'éléments actifs dans la matrice de cuivre permet non seulement de réduire efficacement l'angle de mouillage entre le diamant et le cuivre, mais aussi de générer une couche de carbure soluble dans la matrice de cuivre à l'interface diamant/cuivre après la réaction. De cette manière, la plupart des lacunes présentes à l'interface du matériau sont comblées, améliorant ainsi la conductivité thermique.
04 Conclusion
Les matériaux d'emballage conventionnels ne parviennent pas à gérer la chaleur des puces avancées. Les composites Dia/Cu, avec un CTE réglable et une conductivité thermique ultra-élevée, représentent une solution révolutionnaire pour l'électronique de nouvelle génération.
En tant qu'entreprise de haute technologie intégrant l'industrie et le commerce, XKH se concentre sur la recherche et le développement et la production de composites diamant/cuivre et de composites à matrice métallique haute performance tels que SiC/Al et Gr/Cu, fournissant des solutions de gestion thermique innovantes avec une conductivité thermique de plus de 900 W/(m·K) pour les domaines de l'emballage électronique, des modules de puissance et de l'aérospatiale.
XKH's Matériau composite stratifié plaqué cuivre diamanté :
Date de publication : 12 mai 2025