Diamentowo-miedziane materiały kompozytowe, przełamujące ograniczenia!

Wraz z ciągłą miniaturyzacją, integracją i wysoką wydajnością nowoczesnych urządzeń elektronicznych, w tym komputerów, 5G/6G, baterii,W związku z wzrostem gęstości mocy w urządzeniach elektronicznych i elektrotechnicznych wzrost gęstości mocy doprowadził do silnego ogrzewania i wysokich temperatur w urządzeniachW celu złagodzenia tego problemu, wprowadzono nowe rozwiązania, które mają na celu zmniejszenie emisji ciepła.Zintegrowanie zaawansowanych materiałów do zarządzania ciepłem z elementami elektronicznymi może znacząco zwiększyć ich zdolność rozpraszania ciepła.

Diamenty posiadają doskonałe właściwości termiczne, wykazując najwyższą izotropową przewodność cieplną (k = 2300 W/mK) spośród wszystkich materiałów masowych,i mają bardzo niski współczynnik rozszerzenia termicznego (CTE = 1 ppm/K) w temperaturze pokojowej. Diamond particle-reinforced copper matrix (diamond/copper) composites have attracted significant attention as a new generation of thermal management materials due to their potential high k values and adjustable CTE.

Jednakże istnieją znaczące niezgodności między diamentem a miedzią w wielu aspektach wydajności, w tym, ale nie ograniczając się do CTE (z znaczącą różnicą w kolejności wielkości,jak pokazano na rysunku (a)) i powinowactwo chemiczne (nie mieszają się i nie podlegają reakcjom chemicznym), jak pokazano na rysunku (b)).

Niezgodności te nieuchronnie prowadzą do nieodłącznego niskiej wytrzymałości wiązania kompozytów diamentowo-miedzianych podczas procesów wytwarzania lub integracji w wysokiej temperaturze,a także wysokie naprężenie termiczne na interfejsie diament/miedźW rezultacie kompozyty diament/miedź są podatne na pęknięcia na interfejsie, co znacząco zmniejsza przewodność cieplną (gdy diament i miedź są bezpośrednio połączone,ich wartość k może być znacznie niższa niż w przypadku czystej miedzi, nawet poniżej 200 W/mK).

Obecnie główną metodą doskonalenia jest chemiczna modyfikacja interfejsu diament/diament poprzez stopnianie metalu lub metalizację powierzchni.Warstwa przejściowa utworzona na interfejsie może zwiększyć siłę wiązania interfejsów, a stosunkowo grubsza warstwa pośrednia jest bardziej korzystna w przeciwdziałaniu pękaniu interfejsu.grubość warstwy pośredniej musi wynosić setki nanometrów lub nawet mikrometrówJednakże warstwy przejściowe na interfejsie diament/miedź, takie jak węglika (np. TiC, ZrC, Cr3C2), wykazują niższą przewodność cieplną (< 25 W/mK),O masie nieprzekraczającej 1 kgZ punktu widzenia poprawy efektywności przesyłu ciepła między powierzchniami konieczne jest zminimalizowanie grubości warstwy przejściowej, ponieważ zgodnie z modelem oporu cieplnegoprzewodność cieplna powierzchni (G_cu-diament) jest odwrotnie proporcjonalna do grubości warstwy między warstwami (d).

Podczas gdy stosunkowo grubsza warstwa przejściowa pomaga poprawić wytrzymałość wiązania powierzchni na interfejsie diament/diament,nadmierna odporność cieplna warstwy między warstwą utrudnia przenoszenie ciepła przez interfejsDlatego... a significant challenge in integrating diamond and copper is to maintain a high interfacial bonding strength while not excessively introducing interfacial thermal resistance when employing interface modification methods.

Stan chemiczny interfejsu określa wytrzymałość wiązania interfejsu między materiałami heterogenicznymi.wiązania chemiczne są znacznie silniejsze niż siły van der Waals lub wiązania wodoroweZ drugiej strony,niezgodność rozszerzenia termicznego po obu stronach interfejsu (gdzie T oznacza CTE i temperaturę) jest kolejnym krytycznym czynnikiem wpływającym na wytrzymałość wiązania kompozytów diamentowych/miedzianychJak pokazano na rysunku (a), istnieje znacząca różnica w rzędzie wielkości współczynników rozszerzenia termicznego między diamentem a miedzią.

Ogólnie rzecz biorąc,niezgodność rozszerzenia termicznego zawsze była kluczowym czynnikiem wpływającym na wydajność wielu kompozytów, ponieważ gęstość zwichnięć wokół wypełniacza znacznie wzrasta podczas chłodzenia, zwłaszcza w kompozytach metalowych wzmocnionych wypełniaczami niemetalicznymi, takich jak kompozyty AlN/Al, kompozyty TiB2/Mg, kompozyty SiC/Al oraz kompozyty diamentowo-miedziane badane w niniejszym artykule.Ponadto temperatura przygotowania kompozytów diamentowo-miedzianych jest stosunkowo wysoka, zwykle przekraczając 900 °C w konwencjonalnych procesach.Znaczący brak zgodności rozszerzenia termicznego może łatwo generować naprężenie termiczne w stanie rozciągania na interfejsie diament/miedź, co prowadzi do gwałtownego spadku przyczepności powierzchni, a nawet do awarii powierzchni.

Innymi słowy, stan chemiczny interfejsu określa teoretyczny potencjał siły wiązania interfejsu,podczas gdy niezgodność termiczna określa zakres zmniejszenia siły wiązania powierzchni po wytwarzaniu kompozytu wysokotemperaturowegoDlatego ostateczna siła wiązania powierzchni jest wynikiem interakcji między tymi dwoma czynnikami.Większość obecnych badań koncentruje się na poprawie wytrzymałości wiązania między powierzchnią poprzez dostosowanie stanu chemicznego interfejsu, na przykład poprzez typ, grubość i morfologię warstwy między warstwą przejściową.Zmniejszenie wytrzymałości wiązania powierzchniowego z powodu poważnego niezgodności termicznej na interfejsie nie otrzymało jeszcze wystarczającej uwagi.

Proces przygotowania, jak pokazano na rysunku (a), obejmuje trzy główne etapy.Na powierzchni cząstek diamentowych osadzona jest cienka powłoka tytanu (Ti) o nominalnej grubości 70 nm (model: HHD90, wielkość siatki: 60/70, Huanghe Whirlwind Co., Ltd., Henan, Chiny) przy użyciu radiofrekwencji magnetronowej w temperaturze 500°C. Wysokiej czystości cele tytanowe (czystość: 99.99%) są wykorzystywane jako materiał wyjściowyW trakcie procesu osadzenia, w celu zmniejszenia ilości węglowodorów w powietrzu, w tym węglowodorów w powietrzu i węglowodorów w powietrzu, należy zastosować węglowodorów w powietrzu.stosowana jest technika obrotu podłoża, umożliwiając wystawienie wszystkich powierzchni cząstek diamentów na działanie atmosfery rozpylania,zapewnienie jednolitego osadzania się pierwiastka Ti na wszystkich płaszczyznach powierzchni cząstek diamentowych (głównie obejmujących dwa rodzaje faset): (001) i (111)).

Po drugie, podczas procesu mieszania na mokro, dodaje się 10% masy alkoholu w celu zapewnienia równomiernego rozmieszczenia cząstek diamentów w macierzy miedzi.wielkość cząstek: 5?? 20 μm, Zhongnuo Advanced Materials Technology Co., Ltd., Chiny) i wysokiej jakości jednokrystaliczne cząstki diamentów są stosowane jako matryca (55 obj.%) i faza wzmacniająca (45 obj.%),odpowiednio.

Wreszcie alkohol jest usuwany z wstępnie wyciskanego materiału kompozytowego w wysokiej próżni 10^-4 Pa,i materiał kompozytowy miedziano-diamentowy jest gęstniony metodami metalizacji proszkowej (sinkrowanie plazmą iskry), SPS).

W procesie przygotowywania SPS innowacyjnie zaproponowaliśmy technikę spiekania niskotemperaturowego pod wysokim ciśnieniem (LTHP), łącząc ją z modyfikacją cienkiego interfejsu (70 nm).Aby zmniejszyć odporność termiczną wprowadzoną przez sam powłokęDla porównania, przygotowaliśmy również materiały złożone przy użyciu tradycyjnego procesu spiekania wysokotemperaturowego niskiego ciśnienia (HTLP).Technika spiekania HTLP jest konwencjonalną metodą szeroko stosowaną w poprzednich pracach w celu integracji diamentu i miedzi w gęste kompozytyProces ten HTLP zazwyczaj wykorzystuje wysoką temperaturę spiekania powyżej 900°C (blisko punktu topnienia miedzi) i niskie ciśnienie spiekania około 50 MPa.temperaturę spiekania ustawiono na 600°CW tym samym czasie, zastępując tradycyjne formy grafitowe formami z twardych stopów,ciśnienie spiekujące może być znacznie zwiększone do 300 MPaCzas skupiania dla obu procesów wynosi 10 minut.Parametry eksperymentalne dla różnych procesów (LTHP i HTLP) przedstawiono na rysunku (b)..

Wnioski z powyższych badań mają na celu pokonanie tych wyzwań i wyjaśnienie mechanizmów poprawy właściwości transportowych cieplnych kompozytów diamentowo-miedzianych:

1. Opracowano nową strategię integracji, która łączy w sobie modyfikację ultracienkiego interfejsu z procesem spiekania LTHP.W rezultacie kompozyt diamentowo-miedziany osiągnął wysoką wartość przewodności cieplnej (k) 763 W/mK, o współczynniku rozszerzenia termicznego (CTE) mniejszym niż 10 ppm/K. Ponadto,uzyskano wysoką wartość k nawet przy niższej frakcji objętościowej diamentu (45% w porównaniu z 50%-70% typowymi w konwencjonalnych procesach metalurgicznych proszkowych), co wskazuje, że koszty można znacząco obniżyć poprzez zmniejszenie ilości diamentowego wypełniacza.

2. W ramach proponowanej strategii precyzyjną strukturę interfejsu charakteryzowano jako strukturę warstwową diamentu/TiC/CuTi2/Cu,który znacznie zmniejszył grubość warstwy przejściowej do około 100 nmJednakże, ze względu na zmniejszone uszkodzenia cieplne podczas procesu przygotowania, nie można wprowadzić żadnych dodatkowych czynników, które mogłyby spowodować uszkodzenia.siła wiązania interfejsu była nadal zwiększona do poziomu wiązań kowalentnych, z energią wiązania w przedziale 3,661 J/m2.

3. Ze względu na swoją ultracienką naturę, starannie wykonana warstwa przejściowa między diamentem a miedzią wykazuje niską odporność termiczną. molecular dynamics (MD) and ab initio simulation results indicate that the diamond/titanium carbide interface has excellent phonon property matching and outstanding thermal transfer capability (G > 800 MW/m²K)W związku z tym dwa potencjalne wąskie gardła związane z transferem cieplnym nie są już ograniczającymi czynnikami dla interfejsu diament/miedź.

Siła wiązania interfejsu skutecznie wzrosła do poziomu wiązania kowalentnego.osiągnięcie doskonałej równowagi między tymi dwoma kluczowymi czynnikamiAnaliza sugeruje, że równoczesna poprawa tych dwóch kluczowych czynników jest przyczyną wyższej przewodności cieplnej kompozytów diamentowo-miedzianych.

 

RÓWNOŚĆ ZMSH

Substrat miedzianego jednokrystalicznego Cu wafer 5x5x0.5/lmm 10x10x0.5/1mm 20x20x0.5/1mm a=3.607A

Al podłoże jednokrystaliczne Aluminiowe podłoże czystość 99/99% 5×5×1/0,5 mm 10×10×1/0,5 20x20x0,5/1 mm