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铜-金刚石复合材料翅片热沉散热研究

时间:2024-03-26浏览次数:105

随着航天、通信等领域电子器件向着小型化、集成化和高功率化的趋势不断发展, 急剧增加的热通量给器件散热带来巨大挑战, 过高的温度已经成为电子器件寿命降低和性能失效的重要因素 。电子封装材料作为半导体芯片散热的主要通道, 其导热性能的优劣决定着芯片的使用效率, 从而影响电子元器件的整体性能, 因此亟待发展有效的热管理方式和高效的热管理材料来降低电子产品温度。


翅片热沉是电子产品中一种最常见和最基础的散热器件, 将电子封装模块与翅片热沉通过焊接或者热界面材料连接在一起, 可以有效地降低电子封装模块的温度。目前, 研究者通过理论模拟和实验研究着力优化热沉翅片的各种结构参数, 如数量、间距、高度和分布取向等 。但是, 随着各类参数实现最优化和加工要求限制, 热沉材料的导热性能开始成为限制翅片热沉散热的主要因素。


金刚石是自然界中热导率最高的材料, 而且具有较低的热膨胀系数 ( 1. 0×10-6 K-1) 和较低的密度 ( 3. 52 g /cm3) 。因此, 金刚石作为增强相与铜、铝等金属复合可以得到高热导率、低热膨胀系数的导热复合材料 。近年来, 金属/金刚石复合材料的导热性能逐渐提高, 其中铜/金刚石复合材料热导率达到930 W·m-1·K-1 , 具有广泛的应用前景。

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研究人员制备了热导率为 850 W·m-1·K-1 的铜-硼/金刚石复合材料翅片热沉, 测试了其在自然冷却、强迫风冷和强迫水冷三种冷却模式下的散热效果。结果表明,热源功率越高,铜-硼/金刚石复合材料的散热效果越显著。在强迫水冷模式下当加热片的输入功率为 80 W 时, 使用铜-硼/金刚石复合材料翅片热沉时加热片的最高温度比使用铜翅片热沉时低14℃,比使用铝翅片热沉时低23℃。Icepak 热模拟发现, 在强迫水冷模式下输入功率为 80 W时, 与铜和铝翅片热沉相比,铜-硼/金刚石复合材料翅片热沉的整体温度更低且温度分布更均匀。研究结果证实,铜-硼/金刚石复合材料是一种高效的散热材料,在大功率电子器件散热中具有广阔的应用前景。

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化合积电专注金刚石半导体材料生产研发,核心产品有晶圆级金刚石金刚石热沉片、金刚石窗口片、金刚石基异质集成复合衬底等,其中,晶圆级金刚石表面粗糙度Ra<1nm,金刚石热沉片热导率1000-2000W/(m·K),目前产品已应用于航空航天、电力电子、光通讯,新能源光伏、新能源汽车、传感器、Al、IGBT、高铁等诸多领域。


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