Materiały złożone z diamentu/miedzi (Cu) do zastosowań o wysokiej przewodności cieplnej i zwiększonej wydajności mechanicznej

Materiały złożone z diamentu/miedzi (Cu) do zastosowań o wysokiej przewodności cieplnej i zwiększonej wydajności mechanicznej

Od lat 80. poziom integracji obwodów w komponentach elektronicznych rocznie wzrasta o 1,5 razy lub nawet szybciej.Wraz ze wzrostem poziomu integracji układów scalonych, odpowiednio zwiększa się prąd, co powoduje większą ilość ciepła podczas pracy.może spowodować uszkodzenie termiczne elementów elektronicznych i skrócić ich żywotnośćW związku z tym, aby sprostać rosnącym wymaganiom rozpraszania ciepła komponentów elektronicznych, nieustannie badane i zoptymalizowane są materiały opakowaniowe o wysokiej przewodności cieplnej.

Czyste metale takie jak Cu, Ag i Al mają wysoką przewodność cieplną, ale nadmiernie wysokie współczynniki rozszerzania cieplnego.w celu zapewnienia prawidłowego działania komponentów elektronicznych i wydłużenia ich żywotności, istnieje pilna potrzeba opracowania nowych materiałów opakowaniowych o wysokiej przewodności cieplnej i odpowiednich współczynnikach rozszerzenia cieplnego.o twardości Mohsa 10, jest również jednym z naturalnych materiałów o najwyższej przewodności cieplnej, osiągając od 200 do 2200 W/(m·K).Diamenty/miedziane materiały kompozytowe ̇ wykorzystujące miedź jako matrycę i diament jako wzmocnienie ̇ są powszechnie uważane za przyszłe główne materiały opakowaniowe o wysokiej przewodności cieplnej..

Diamentowy/miedziany kompozyt to wysokiej wydajności materiał kompozytowy składający się z diamentu

Do powszechnych metod przygotowania kompozytów diamentowo-miedzianych należą: metalurgia proszkowa, wysoka temperatura i wysokie ciśnienie, infiltracja topnienia, spiekanie plazmy iskry, opryskiwanie na zimno i inne.

(1) Metallurgia proszkowa

mieszanie cząstek diamentu zW trakcie procesu mieszania można dodać pewną ilość wiążącego i tworzącego środka.przeprowadza się sinterując, aby uzyskać wysokiej przewodności cieplnej kompozyty diamentowe/CuMetallurgia proszku jest prostym procesem o stosunkowo niskich kosztach i jest stosunkowo dojrzałą techniką spiekania.Dodatkowo, przygotowane próbki mają zwykle ograniczone rozmiary i prosty kształt, co utrudnia bezpośrednie uzyskanie materiałów przewodzących ciepło o wyższej temperaturze.

(2) Wysoka temperatura i wysokie ciśnienie

(3) Infiltracja roztopu

(4) Sinterujące plazmę iskry (SPS)

(5) Spryskiwanie na zimno

Depozycja przez opryskiwanie na zimno polega na umieszczeniu dwóch mieszanych proszków w komorze pieca, gdzie po stopieniu metalu i atomizacji płynnego metalu,cząstki są rozpylane i osadzane na płytce podłoża w celu uzyskania materiału złożonego.

Stosowane są strategie rozwiązywania problemów interfejsu między diamentem a matrycą Cu

W przypadku wytwarzania materiałów złożonych wzajemna nawilżalność między elementami jest niezbędnym warunkiem pomyślnego łączenia,i odgrywa kluczową rolę w określeniu struktury powierzchni i stanu wiązaniaZ powodu słabej nawilżalności pomiędzy diamentem a miedzią powstaje wysoka odporność termiczna powierzchni.który jest kluczowy dla poprawy wydajności kompozytów.

Obecnie stosowane są dwie główne strategie rozwiązywania problemów interfejsów między diamentem a macierzą Cu:

Modyfikacja powierzchni diamentu
Powiekanie powierzchni cząstek diamentowych czynnikami takimi jak Mo, Ti, W lub Cr może znacząco poprawić właściwości powierzchniowe.te pierwiastki reagują z węglem na powierzchni diamentu tworząc warstwę przejściową węglanuPonadto takie powłoki mogą chronić strukturę diamentu przed degradacją w podwyższonych temperaturach.

Stopy z matrycy miedzianej

Przed przetwarzaniem kompozytu, matryca miedzi może być wstępnie stopowana z aktywnymi pierwiastkami.Wprowadzenie aktywnych pierwiastków do matrycy miedzi skutecznie zmniejsza kąt kontaktu między diamentem a miedzią i sprzyja tworzeniu się warstwy węglowodorów na interfejsie diament/CuKarbidy te, które mogą być częściowo rozpuszczalne w matrycy miedzianej, pomagają wypełnić próżnie powierzchniowe i znacznie poprawiają właściwości termiczne.

Krajobraz rynku i trendy rozwoju

Struktura rynku

Międzynarodowe przywództwo:
Na rynkach najwyższej klasy dominują podmioty międzynarodowe, takie jak AMETEK (USA) i Sumitomo Electric (Japonia), obsługujące głównie sektor wojskowy i lotniczy.Heraeus (Niemcy) i Toho Titanium (Japonia) koncentrują się na podłogach do zarządzania cieplnym dla elektroniki użytkowej.

Postęp w produkcji krajowej:
Chińscy producenci (np. Instytut Badań Metali, Chińska Akademia Nauk;Hunan Dingli Technology) osiągnęły masową produkcję 6-calowych podłoża kompozytowych diamentów/Cu za pomocą metod metalurgicznej proszkuDo 2023 r. chińskie firmy zdobyły 25% udziału w rynku krajowym.

Wielkość rynku

Zgodnie z prognozą QY Research globalny rynek kompozytów diamentowych/Cu ma osiągnąć wartość 1,2 mld USD do 2025 r., przy średniej rocznej stopie wzrostu (CAGR) wynoszącej 18%.Oczekuje się, że w regionie Azji i Pacyfiku odpowiada ponad 50% światowego popytu.

W sektorze łączności 5G oczekuje się, że popyt na moduły zarządzania cieplnym stacji bazowej doprowadzi do wzrostu zużycia materiałów złożonych o 300% do 2024 r.

Przyszłe trendy

Przełomy w technologii diamentów syntetycznych:
Przewiduje się, że w ciągu najbliższej dekady koszty diamentów z depozytów par chemicznych (CVD) spadną do jednej dziesiątej obecnego poziomu.

Zastosowania integracji heterogenicznej:
Opracowanie ultracienkiej, elastycznej folii termicznej poprzez łączenie diamentów z dwustronnymi materiałami, takimi jak grafen i azotyn boru.

Inteligentne zarządzanie cieplne:
Integracja czujników temperatury do podłoża diamentowego/Cu w celu umożliwienia monitorowania rozkładu cieplnego w czasie rzeczywistym i dynamicznej regulacji cieplnej.

Wyzwania i przyszłe kierunki badań

Wąskie gardła techniczne

Trudność jednoczesnego osiągnięcia niskiej odporności termicznej powierzchni i wysokiej wydajności produkcji masowej, ograniczająca penetrację kompozytów diamentowych/Cu na rynkach elektroniki użytkowej.

Trwałe problemy z utlenianiem interfejsu i dyfuzją pierwiastków podczas długotrwałej pracy w wysokich temperaturach.

Kierunki badań

Biomimetyczna konstrukcja interfejsu:
Inspirowane warstwami struktur w przyrodzie (np. nacre) bada się strategii dystrybucji wzmocnienia wielowymiarowego w celu optymalizacji wydajności sprzężenia termo-mechanicznego.

Ekologiczne procesy produkcyjne:
Rozwój ekologicznych procesów, takich jak galwanizowanie bez cyjanku i spiekanie niskotemperaturowe w celu zmniejszenia emisji dwutlenku węgla.

Kompozyty ultrawysokotemperaturowe:
Badanie potencjału zastosowania kompozytów diamentowych/Cu w warunkach przekraczających 1000°C.

Wniosek

Dzięki ich niezrównanej przewodności cieplnej i wszechstronnym zaletom mechanicznym,kompozyty diamentowe/Cu stają się kluczowymi materiałami do urządzeń elektronicznych o wysokiej gęstości mocy i zastosowań w ekstremalnych warunkachPomimo trudności w optymalizacji interfejsu i redukcji kosztów,trwające postępy w technologii syntetycznych i stopniowe dojrzewanie łańcucha przemysłowego torują drogę do szerszego wdrożenia.

W przyszłości dzięki interdyscyplinarnym innowacjom łączącym naukę o materiałach, nanotechnologię,W przypadku urządzeń elektronicznych, które wykorzystują diament/Cu, oczekuje się, że osiągnieją wyższe osiągi.Ponadto materiały te będą odgrywać kluczową rolę w zwiększaniu globalnej efektywności energetycznej i wspieraniu inicjatyw dotyczących neutralności węglowej.

Inne zalecenia dotyczące produktów

Substrat miedziany Jednokrystaliczna płytka Cu 5x5x0.5/lmm 10x10x0.5/1mm 20x20x0.5/1mm