Compuesto de diamante y cobre: ​​una solución de próxima generación para la gestión térmica de la electrónica de alta potencia.

El compuesto de diamante y cobre (DC) es un material avanzado de matriz metálica que consta de partículas de diamante como fase de refuerzo y cobre como matriz, fabricado mediante técnicas de vanguardia para la preparación de materiales compuestos.

El diamante posee la conductividad térmica más elevada de todos los materiales naturales, con valores isotrópicos que oscilan entre 1200 y 2300 W/m·K. El cobre, con una conductividad térmica de 401 W/m·K, ocupa el segundo lugar entre los metales comunes, superado únicamente por la plata. Al combinar ambos elementos, el material compuesto aprovecha la conductividad térmica extremadamente alta del diamante a la vez que conserva la buena trabajabilidad del cobre, lo que lo convierte en un material ideal para la gestión térmica en el encapsulado de componentes electrónicos.

2.1 Conductividad térmica ultraelevada

Los materiales compuestos de diamante y cobre presentan una conductividad térmica en el rango de 600–800 W/m·K, superando ampliamente a los materiales metálicos tradicionales. Algunos productos de alta gama, mediante la optimización del proceso, pueden alcanzar conductividades superiores a 1000 W/m·K. En comparación con el cobre puro (401 W/m·K), el rendimiento térmico mejora entre un 50 % y un 100 %.

Los datos de investigación indican que, con un diseño de interfaz multicapa, los compuestos de diamante y cobre pueden alcanzar los 743 W/m·K. Mediante el uso de sinterización por plasma de chispa (SPS) a una presión de 1400 N y una temperatura de 900 °C, la conductividad térmica máxima puede llegar a 564,2 W/m·K. El diamante con interfaces optimizadas y tratamiento superficial, tras un proceso de prensado en caliente al vacío con un contenido de diamante del 50 % en volumen, produce compuestos con una conductividad térmica de hasta 706 W/m·K.

2.2 Coeficiente de expansión térmica (CTE) ajustable

Una de las ventajas más destacadas de los compuestos de diamante y cobre es que su CTE puede ajustarse con precisión modificando la fracción volumétrica de diamante y cobre, así como la estructura de la interfaz.

El diamante posee un CTE extremadamente bajo, de aproximadamente 1 ppm/K, mientras que el cobre puro tiene un CTE de unos 17 ppm/K. Al controlar esta proporción, el CTE de los compuestos de diamante y cobre puede ajustarse con exactitud al rango de 5–7×10⁻⁶/K, equiparándose estrechamente al de materiales semiconductores como el silicio (~3 ppm/K), el arseniuro de galio (~5,8 ppm/K) y el carburo de silicio (~4,0–4,5 ppm/K).

Esta propiedad es fundamental para el encapsulado electrónico; una mala correspondencia de los CTE provoca grietas en la soldadura, delaminación de la interfaz durante los ciclos térmicos y, en última instancia, el fallo del chip.

2.3 Excelentes propiedades integrales

Más allá de la conductividad térmica y el CTE, los compuestos de diamante y cobre ofrecen ventajas adicionales:

• Ligereza: Su densidad es aproximadamente un 40 % inferior a la de las aleaciones de tungsteno y cobre, lo que permite cumplir con los requisitos de bajo peso en aplicaciones aeroespaciales y de otro tipo.

• Alta densidad relativa: Los procesos avanzados permiten alcanzar una densidad superior al 99,9 %. • Buena hermeticidad: Las superficies pueden recubrirse con Ni/Au para permitir un encapsulado hermético, con tasas de fuga de hasta 10⁻⁹ Pa·m³/s.

• Alta resistencia de unión interfacial: Mediante el uso de pulverización catódica por magnetrón combinada con prensado isostático en caliente, la resistencia de la unión puede superar los 150 MPa.

El proceso de fabricación afecta directamente al rendimiento final. Los procesos convencionales actuales incluyen:

3.1 Sinterización por plasma de chispa (SPS)

La SPS es una técnica común para producir compuestos de diamante y cobre de alto rendimiento. Se obtienen propiedades óptimas con un 50 % en volumen de diamante, una presión de sinterización de 30 MPa, una temperatura de mantenimiento de 900 °C y un tiempo de mantenimiento de 20 minutos.

3.2 Pulvimetalurgia (PM)

La pulvimetalurgia tradicional es un método clásico para preparar compuestos de cobre y diamante, caracterizado por una tecnología consolidada y un coste relativamente bajo.

3.3 Procesamiento por fricción-agitación (FSP)

Este método logra la formación del compuesto mediante una intensa deformación plástica, lo que da lugar a microestructuras refinadas y a una buena unión interfacial.

3.4 Infiltración a presión de gas

Se infiltra cobre líquido en una preforma de diamante bajo presión, alcanzando una densidad cercana al 100 %. Este enfoque permite obtener formas cercanas a la final (*near-net shape*), requiere un mecanizado posterior mínimo y resulta sencillo y fiable.

3.5 Técnicas de modificación de la interfaz

La escasa humectabilidad y la elevada resistencia térmica interfacial entre el diamante y el cobre limitan la mejora del rendimiento del compuesto. Los enfoques de modificación actuales más comunes incluyen:

• Recubrimiento de la superficie del diamante: Recubrimiento del diamante con una capa compuesta de Cr-B (espesor de ~0,1–5 μm), seguido de SPS o prensado en caliente con cobre.

• Aleación de la matriz: Introducción de elementos como polvo de boro para mejorar significativamente la resistencia de la unión interfacial.

• Modificación mediante recubrimiento de cromo: Se utilizan partículas de diamante modificadas superficialmente con cromo junto con la sinterización por prensado en caliente al vacío.

Gracias a su elevada conductividad térmica y bajo coeficiente de expansión térmica (CTE), los materiales compuestos de diamante y cobre se han adoptado en diversos sectores de alta gama:

4.1 Servidores de IA y módulos de refrigeración para GPU

Ante el crecimiento explosivo de la potencia de cálculo en IA, el consumo energético de las GPU y los chips de IA sigue aumentando, superando la capacidad de los materiales de refrigeración tradicionales. Los materiales compuestos de diamante y cobre, con una conductividad térmica ultraelevada de 600–800 W/m·K, permiten disipar rápidamente flujos de calor extremos.

4.2 Sustratos para semiconductores de potencia IGBT

Los módulos IGBT generan una cantidad considerable de calor durante su funcionamiento y deben mantener su fiabilidad en un amplio rango de temperaturas. El CTE de los materiales compuestos de diamante y cobre puede ajustarse estrechamente al de los materiales semiconductores, reduciendo así eficazmente los fallos en el encapsulado provocados por el estrés térmico.

4.3 Disipadores de calor para CPU de alta gama y encapsulados avanzados

En aplicaciones de CPU de alta gama y encapsulados avanzados, las densidades de flujo de calor pueden alcanzar 1 kW/cm². Los materiales compuestos de diamante y cobre permiten una 'refrigeración cercana a la unión' para reducir eficazmente las temperaturas de unión.

4.4 Módulos de potencia de SiC

Los dispositivos de carburo de silicio (SiC), que poseen excelentes propiedades eléctricas y térmicas, se están convirtiendo en la opción principal para inversores de alta densidad de potencia. A medida que se reduce el tamaño de los dispositivos y aumenta la densidad de potencia, el encapsulado y la disipación de calor se han convertido en cuellos de botella críticos. Los materiales compuestos de diamante y cobre surgen como una solución ideal de refrigeración interna para los módulos de potencia de SiC.

4.5 Electrónica aeroespacial y militar

La densidad de los materiales compuestos de diamante y cobre es aproximadamente un 40 % inferior a la de las aleaciones de tungsteno y cobre, al tiempo que ofrecen una excelente hermeticidad y fiabilidad, cumpliendo así con los requisitos especiales del sector aeroespacial para componentes sensibles al peso.