5Gの時代に、ダイヤモンド/金属複合材料は過熱した半導体デバイスを節約できますか？

電子技術の急速な発展に伴い、通信技術は徐々に5G時代に入りました。 半導体材料は絶えず更新されていますが、集積回路も大規模、高集積、高出力の方向に進んでいます。 SiCやGaNに代表されるワイドバンドギャップ半導体材料の応用により、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）が急速に発展し、新世代の情報技術に新たな状況が開かれています。

高電力と高電流密度はIGBTチップの開発動向であり、必然的に電子部品の過熱を引き起こします。 研究データによると、チップの表面温度が70〜80°Cに達すると、温度が1°C上昇するごとにチップの信頼性が5％低下します。 電子機器の故障モードの55％以上は、過度の温度が原因です。 放熱の問題を解決するために、より効率的な冷却技術を採用することに加えて、400W /（m・K）を超える熱伝導率と半導体材料に一致する膨張係数を備えた新しい軽量電子パッケージング材料を開発することが急務です。 新しいタイプの電子パッケージ材料として、ダイヤモンド/金属複合材料は、10年以上の研究開発を経て徐々に舞台の中心に移動し、大きな期待が寄せられています。

ダイヤモンドは、広い禁制帯幅、高い硬度と熱伝導率、高い電子飽和ドリフト速度、高温耐性、耐食性、耐放射線性などの優れた性能を備えています。 これは、高電圧および高効率のパワーエレクトロニクス、高周波および高電力のマイクロエレクトロニクス、深紫外線オプトエレクトロニクスなどの分野で使用されており、非常に重要なアプリケーションの見通しがあります。 ダイヤモンドは、現在知られている天然物質の中で最も高い熱伝導率（2200W /（m・K））を持ち、炭化ケイ素（SiC）の4倍、シリコン（Si）の13倍、ガリウムヒ素（GaAs）の13倍の大きさです。 ）43倍の大きさで、銅や銀の4〜5倍です。 現在、ダイヤモンド/金属の熱放散複合材料が有望です。

ダイヤモンドは、炭素原子の共有結合によって形成された立方晶です。 ダイヤモンドの極端な特性の多くは、剛直な構造と少数の炭素原子を形成するsp³共有結合強度の直接的な結果です。 金属は自由電子を介して熱を伝導し、その高い熱伝導率は高い電気伝導率と関連しています。 対照的に、ダイヤモンドの熱伝導は、格子振動（つまりフォノン）によってのみ達成されます。 ダイヤモンド原子間の非常に強い共有結合により、剛直な結晶格子の振動周波数が高くなるため、そのデバイ特性温度は2220Kと高くなります。 ほとんどのアプリケーションはデバイ温度よりもはるかに低いため、フォノン散乱は小さく、媒体としてのフォノンの熱伝導抵抗は非常に小さくなります。 しかし、格子欠陥があるとフォノン散乱が発生し、それによって熱伝導率が低下します。これは、すべての結晶材料に固有の特性です。

ダイヤモンド/銅複合材料の熱伝導率は、主に複合材料界面の設計と準備プロセス、特に銅マトリックス、ダイヤモンド、ダイヤモンドの体積分率、粒子サイズの固有の熱伝導率、および2つの間のインターフェースこれも特に重要です。 一般に、完全な結晶形、低窒素含有量、100〜500 umサイズのダイヤモンドは、表面がグラファイトのような相に変化するのを防ぎ、複合材料中のダイヤモンドの体積分率を高めるために、複合材料の補強相として使用されます材料、および高品質のダイヤモンド/銅複合材料を取得するのに役立ちます。

電力密度がますます高まる半導体コンポーネントに直面して、ダイヤモンド/金属複合材料が急速な熱放散を達成できるかどうかを楽しみにする価値があります。