Depuis les années 1980, la densité d'intégration des circuits électroniques augmente à un rythme annuel d'au moins 1,5 fois. Une intégration plus poussée entraîne des densités de courant et une production de chaleur plus importantes en fonctionnement.Si elle n'est pas dissipée efficacement, cette chaleur 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'encapsulation 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 des coefficients de dilatation thermique (CDT) comparables à ceux des semi-conducteurs, une bonne stabilité chimique et une conductivité thermique modérée. Cependant, leur mise en œuvre complexe, leur coût élevé (en particulier pour le BeO, toxique) et leur fragilité limitent leurs applications. Les emballages plastiques offrent un faible coût, une grande 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) possèdent une conductivité thermique élevée mais un CDT excessif, tandis que les alliages (Cu-W, Cu-Mo) présentent des performances thermiques inférieures. Par conséquent, de nouveaux matériaux d'emballage alliant une conductivité thermique élevée et un CDT optimal sont nécessaires de toute urgence.
| Renforcement | Conductivité thermique (W/(m·K)) | CTE (×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 de 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 |
DiamantLe bois, matériau naturel le plus dur connu (échelle de Mohs 10), possède également des propriétés exceptionnelles.conductivité thermique (200–2200 W/(m·K)).
Poudre de diamant micronisée
Cuivre, avec conductivité thermique/électrique élevée (401 W/(m·K)), sa ductilité et son rapport coût-efficacité, est largement utilisé dans les circuits intégrés.
En combinant ces propriétés,composites diamant/cuivre (Dia/Cu)— avec le cuivre comme matrice et le diamant comme renfort — apparaissent comme des matériaux de gestion thermique de nouvelle génération.
02 Principales méthodes de fabrication
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 dans le bain fondu, 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 particules uniques
| Paramètre | Métallurgie des poudres | Pressage à chaud sous vide | Frittage par plasma étincelle (SPS) | Haute pression et haute température (HPHT) | Dépôt par projection à froid | Infiltration par fusion |
| 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 % | Poudre d'alliage/cuivre pur | Poudre de cuivre pure | Cu pur en vrac/barrette |
| 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
Les poudres mixtes de diamant et de cuivre sont compactées et frittées. Bien que simple et économique, cette méthode ne permet d'obtenir qu'une densité limitée, des microstructures hétérogènes et des dimensions d'échantillon restreintes.
Sunité d'internement
(1)Haute pression et haute température (HPHT)
L'utilisation de presses multi-enclumes permet au cuivre en fusion d'infiltrer des structures cristallines de diamant dans des conditions extrêmes, produisant ainsi des composites denses. Cependant, le procédé HPHT nécessite des moules coûteux et ne convient pas à une production à grande échelle.
Cpresse ubic
(1)Infiltration par fusion
Le cuivre fondu imprègne des préformes de diamant par infiltration assistée par pression ou par capillarité. Les composites obtenus présentent une conductivité thermique supérieure à 446 W/(m·K).
(2)Frittage par plasma étincelle (SPS)
Le courant pulsé permet un frittage rapide de poudres mélangées sous pression. Bien qu'efficace, le frittage SPS présente des performances dégradées pour des fractions de diamant supérieures à 65 % en volume.
Schéma du système de frittage par plasma de décharge
(5) Dépôt par projection à froid
Les poudres sont accélérées puis déposées sur des substrats. Cette méthode émergente se heurte à des difficultés liées au contrôle de l'état de surface et à la 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 indispensable au procédé de fabrication et un facteur important influençant la structure et l'état de liaison de l'interface. L'absence de mouillage à l'interface diamant-cuivre induit une résistance thermique interfaciale très élevée. Il est donc crucial de mener des recherches sur la modification de cette interface par diverses techniques. Actuellement, deux méthodes principales permettent d'améliorer l'interface diamant-cuivre : (1) le traitement de surface du diamant ; (2) l'alliage du cuivre.
Schéma de modification : (a) Placage direct sur la surface du diamant ; (b) Alliage de la matrice
(1) Modification de surface du diamant
Le dépôt d'éléments actifs tels que le molybdène, le titane, le tungstène et le chrome sur la couche superficielle de la phase de renforcement permet d'améliorer les caractéristiques interfaciales du diamant, et par conséquent 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. Ceci optimise le mouillage entre le diamant et le support métallique, et le revêtement empêche toute modification de la structure du diamant à haute température.
(2) Alliage de la matrice de cuivre
Avant l'élaboration des matériaux composites, un traitement de pré-alliage est appliqué au cuivre métallique, permettant d'obtenir des matériaux composites à conductivité thermique généralement élevée. L'incorporation 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, après réaction, une couche de carbure soluble à l'interface diamant/cuivre. Ainsi, la plupart des défauts présents à l'interface sont modifiés et comblés, améliorant de ce fait la conductivité thermique.
04 Conclusion
Les matériaux d'encapsulation classiques peinent à dissiper la chaleur dégagée par les puces de pointe. Les composites Dia/Cu, grâce à leur coefficient de dilatation thermique ajustable et leur conductivité thermique ultra-élevée, constituent 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, 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 innovantes de gestion thermique avec une conductivité thermique supérieure à 900 W/(m·K) pour les domaines de l'emballage électronique, des modules de puissance et de l'aérospatiale.
XKH'Matériau composite stratifié plaqué cuivre Diamond :
Date de publication : 12 mai 2025