При выборе материала для радиатора, который должен плотно прилегать к чипу, необходимо учитывать два основных требования к характеристикам: высокую теплопроводность (TC) и соответствующий коэффициент теплового расширения (CTE).
В алмазе теплопередача осуществляется за счет колебаний кристаллической решетки. Атомы углерода обладают значительной квантовой энергией колебаний, то есть частота колебаний очень высока, поэтому теплопроводность алмаза чрезвычайно высока. Теплопроводность природного монокристаллического алмаза при комнатной температуре (25 °C) может достигать 2200 Вт/(м·К). Для сравнения: теплопроводность меди составляет около 400 Вт/(м·К), а традиционного полупроводникового материала — кремния — менее 200 Вт/(м·К). Теплопроводность алмаза, выращенного искусственным путем методом CVD, при комнатной температуре обычно также достигает 1000–2000 Вт/(м·К).
Для сравнения: керамические материалы, такие как алюминийнитрид, оксид берия, оксид алюминия. Теплопроводность составляет 170–230 Вт/м·К, 190 Вт/м·К и 20 Вт/м·К соответственно; при этом в алюминиевом нитриде примеси и дефекты, возникающие в процессе спекания, приводят к тому, что фактическая теплопроводность продукта ниже теоретического значения; производство оксида берия сопряжено с высокими затратами и он является сильным ядом; оксид алюминия имеет самую низкую теплопроводность. Металлические материалы: например, алюминий, медь. Теплопроводность составляет 230 Вт/м·К и 400 Вт/м·К соответственно, однако алюминий и медь имеют высокий коэффициент теплового расширения, что может привести к серьезным проблемам теплового несоответствия. Композитные материалы: например, алюминий-карбид кремния. Это металлокерамический композитный материал, представляющий собой соединение керамики SiC и металла Al, с теплопроводностью 200 Вт/м·К. Требуется изменение содержания SiC для согласования его коэффициента теплового расширения с коэффициентом соседнего материала, что увеличивает затраты на наладку.
Материалы для радиаторов на основе алмаза обладают такими преимуществами, как высокая теплопроводность и низкое теплорасширение, имеют небольшую плотность, хорошую покрываемость и обрабатываемость, и могут заменить широко используемые в настоящее время материалы, такие как вольфрамо-медь, AlSiC, AlN и др. Композитные материалы из алмаза с металлами, такими как медь и алюминий, являются новым фаворитом среди передовых материалов для радиаторов как в стране, так и за рубежом. Регулируя объемную долю алмаза, можно обеспечить высокую теплопроводность и регулируемое тепловое расширение, что позволяет удовлетворить требованиям системного охлаждения и технологий сборки; эти материалы считаются материалами для радиаторов электронных корпусов четвертого поколения. Алмаз обладает самой высокой теплопроводностью при комнатной температуре, в 5 раз превышающей теплопроводность меди и серебра, а также является хорошим изолятором, что делает его идеальным материалом для отвода тепла в мощных лазерных устройствах, микроволновых устройствах и высокоинтегрированных электронных устройствах. При требованиях к теплопроводности в диапазоне 1000–2000 Вт/м·К алмаз является материалом первого выбора и единственным возможным вариантом для радиаторов.
В настоящее время пластины теплоотвода из CVD-алмаза широко интегрируются в решения по теплоотводу следующими тремя способами:
1. Отдельные алмазные элементы соединяются посредством металлизации и пайки (например, с использованием металлов, нанесенных методом распыления Ti/Pt/Au, и эвтектической пайки AuSn);
2. Готовые пластины, поддерживающие несколько устройств, позволяют производителям устройств обрабатывать пластины в больших объемах (например, металлизация и монтаж). После выполнения таких дополнительных шагов эти пластины могут служить в качестве подложки для отдельных субкомпонентов.
3. Прямое нанесение алмазного покрытия.
