Diamant/koper samengestelde materialen, doorbreken beperkingen!

Met de voortdurende miniaturisatie, integratie en hoge prestaties van moderne elektronische apparaten, waaronder computers, 5G/6G, batterijen,de toenemende vermogendichtheid heeft geleid tot ernstige Joule-verwarming en hoge temperaturen binnen de apparatenDit resulteert in een verslechtering van de prestaties en het falen van het apparaat.Het integreren van geavanceerde materialen voor thermisch beheer in elektronische componenten kan hun warmteafvoervermogen aanzienlijk verbeteren.

Diamanten hebben uitstekende thermische eigenschappen en vertonen de hoogste isotrope thermische geleidbaarheid (k = 2300 W/mK) van alle bulkmaterialen.en een extreem lage coëfficiënt van thermische uitbreiding (CTE = 1 ppm/K) bij kamertemperatuur hebben. 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.

Er zijn echter opmerkelijke verschillen tussen diamant en koper in veel prestatieaspecten, waaronder maar niet beperkt tot CTE (met een aanzienlijk verschil in grootte,zoals weergegeven in figuur a) en chemische affiniteit (ze zijn onmisbaar en ondergaan geen chemische reacties), zoals geïllustreerd in figuur b).

Deze mismatches leiden onvermijdelijk tot de inherent lage bindsterkte van de diamant/kopercomposites tijdens hoogtemperatuurproductie- of integratieprocessen,een hoge thermische spanning op de diamanten/koperinterfaceBijgevolg zijn de diamant/kopercomposites gevoelig voor scheuringen aan de interface, waardoor de thermische geleidbaarheid aanzienlijk wordt verminderd (wanneer diamant en koper rechtstreeks aan elkaar worden gebonden, wordt de thermische geleidbaarheid aanzienlijk verminderd).hun k-waarde kan veel lager zijn dan die van puur koper, zelfs onder 200 W/mK).

Momenteel bestaat de belangrijkste verbeteringstechnische methode uit chemische modificatie van de diamanten-diamanten-interface door middel van metaallegering of oppervlakte-metallisatie.De overgangslaag gevormd op de interface kan de interfacial binding kracht te verbeteren, en een relatief dikkere tussenlaag is gunstiger bij het weerstaan van interfaceplaten.De dikte van de tussenlaag moet honderden nanometers of zelfs micrometers bedragen.De overgangslagen op de diamant/koperinterface, zoals carbiden (bv. TiC, ZrC, Cr3C2), vertonen echter een lagere thermische geleidbaarheid (< 25 W/mK).met een breedte van meer dan 50 mm,Voor de verbetering van de efficiëntie van de warmteoverdracht tussen de oppervlakken is het van essentieel belang de dikte van de overgangslaag tot een minimum te beperken, omdat volgens het thermische weerstandsmodelde interfaciale thermische geleidbaarheid (G_cu-diamant) is omgekeerd evenredig aan de tussenlaagdikte (d).

Een relatief dikkere overgangslaag helpt de verbindingssterkte van het interfacesysteem bij de diamanten-interface te verbeteren.de overmatige thermische weerstand van de tussenlaag belemmert de warmteoverdracht over de interfaceDaarom, 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.

De chemische toestand van de interface bepaalt de bindsterkte tussen heterogene materialen.chemische bindingen zijn aanzienlijk sterker dan van der Waals krachten of waterstofbindingenAan de andere kant,de thermische uitbreidingsverschil aan beide zijden van de interface (waarbij T CTE en temperatuur vertegenwoordigt) is een andere kritische factor die van invloed is op de bindsterkte van de diamant/kopercompositesZoals in figuur (a) is aangetoond, is er een aanzienlijk verschil in de grootte van de koefficiënten van thermische uitbreiding tussen diamant en koper.

In het algemeen,de thermische uitbreidingsverschil is altijd een belangrijke factor geweest die de prestaties van veel composieten beïnvloedt, omdat de verplaatsingsdichtheid rond de vulstof tijdens het afkoelen aanzienlijk toeneemt, met name in metalen matrixcomposites versterkt met niet-metalen vulstoffen, zoals AlN/Al-composites, TiB2/Mg-composites, SiC/Al-composites en de in dit artikel bestudeerde diamant/kopercomposites.Bovendien is de bereidingstemperatuur van diamant/kopercomposites relatief hoog, meestal hoger dan 900°C in conventionele processen.De significante thermische uitbreidingsmismatch kan gemakkelijk thermische spanning veroorzaken in een trektoestand op de diamanten/koperinterface, wat leidt tot een scherpe afname van de interfacial adhesion en zelfs interfacial failure.

Met andere woorden, de chemische toestand van de interface bepaalt het theoretische potentieel voor de bindsterkte van de interfaces,Terwijl thermische mismatch bepaalt de omvang van de vermindering van de bindsterkte van het interfacesysteem na de fabricage van composiet op hoge temperatuurDaarom is de uiteindelijke verbindingssterkte van het interfacesysteem het resultaat van de wisselwerking tussen deze twee factoren.De meeste huidige studies richten zich op het verbeteren van de bindsterkte van de interfaces door de chemische toestand van de interfaces aan te passen., zoals door het type, de dikte en de morfologie van de overgangs tussenlaag.De vermindering van de bindsterkte van het interfacesysteem als gevolg van ernstige thermische mismatches op het interfacesysteem heeft nog niet voldoende aandacht gekregen..

Het voorbereidingsproces, zoals in figuur a) is weergegeven, omvat drie hoofdfasen.op het oppervlak van diamantdeeltjes wordt een dunne titanium (Ti) -coating van een nominale dikte van 70 nm afgezet (model: HHD90, maaswijdte: 60/70, Huanghe Whirlwind Co., Ltd., Henan, China) met behulp van radiofrequente magnetronsputtering bij 500°C.99%) worden gebruikt als grondstofDe dikte van de Ti-coating wordt gecontroleerd door de afzettingstijd aan te passen.een substraatrotatietechniek wordt toegepast, waardoor alle oppervlakken van de diamantdeeltjes aan de sputterende atmosfeer worden blootgesteld,het element Ti op alle oppervlaktevlakken van de diamantdeeltjes gelijkmatig wordt afgezet (met name twee soorten facetten): (001) en (111)).

Ten tweede wordt tijdens het natte mengproces 10 gewichtspercenten alcohol toegevoegd om een gelijkmatige verdeling van de diamantdeeltjes binnen de kopermatrix te waarborgen.deeltjesgrootte: 5·20 μm, Zhongnuo Advanced Materials Technology Co., Ltd., China) en hoogwaardige enkelkristallijnde diamantdeeltjes worden gebruikt als matrix (55 vol%) en versterkingsfase (45 vol%),respectievelijk.

Ten slotte wordt alcohol uit het gepresseerde composietmateriaal verwijderd in een hoog vacuüm van 10^-4 Pa,en het koper-diamant samengestelde materiaal wordt met behulp van poedermetallurgische methoden (spark plasma sintering) verdicht, SPS).

In het SPS-voorbereidingsproces hebben wij op innovatieve wijze een lage-temperatuur-hoogdruk (LTHP) sintertechniek voorgesteld, waarbij deze werd gecombineerd met dunne interfacemodificatie (70 nm).Om de thermische weerstand van de coating zelf te verminderenVoor vergelijking hebben wij de composietmaterialen ook bereid met behulp van het traditionele HTLP-sinterproces.De HTLP-sintertechniek is een conventionele methode die in eerdere werkzaamheden veel werd gebruikt om diamant en koper in dichte composieten te integrerenDit HTLP-proces maakt meestal gebruik van een hoge sintertemperatuur van meer dan 900°C (nabij het smeltpunt van koper) en een lage sinterdruk van ongeveer 50 MPa.de sintertemperatuur wordt ingesteld op 600°CHet is duidelijk dat de verwerking van de grafietvormen in de Gemeenschap een belangrijke rol speelt in de verbetering van de kwaliteit van de productie van koperen.de sinterdruk kan aanzienlijk worden verhoogd tot 300 MPaDe sintertijd voor beide processen bedraagt 10 minuten.De experimentele parameters voor de verschillende processen (LTHP en HTLP) zijn weergegeven in figuur b)..

De conclusies van het bovenstaande onderzoek zijn bedoeld om deze uitdagingen te overwinnen en de mechanismen voor het verbeteren van de thermische transport eigenschappen van diamant/kopercomposites te verduidelijken:

1. Een nieuwe integratiestrategie werd ontwikkeld die ultradunne interfacemodificatie combineert met het LTHP-sinterproces.De resulterende diamant/kopercomposite behaalde een hoge thermische geleidbaarheid (k) van 763 W/mK, met een thermische uitbreidingscoëfficiënt (CTE) van minder dan 10 ppm/K.een hoge k-waarde werd verkregen, zelfs bij een lager diamantenvolumefractie (45% vergeleken met de 50%-70% die typisch is voor conventionele poedermetallurgische processen), waaruit blijkt dat de kosten aanzienlijk kunnen worden verlaagd door de hoeveelheid diamantvuller te verminderen.

2. In de voorgestelde strategie werd de verfijnde interface-structuur gekarakteriseerd als een gelaagde structuur van diamant/TiC/CuTi2/Cu,die de dikte van de overgangslaag sterk verminderde tot ongeveer 100 nm, veel minder dan de enkele honderden nanometers of zelfs micrometers die voorheen werden gebruikt.de verbindingssterkte van het interfacesysteem werd nog steeds verhoogd tot covalente bindingsniveaus, met een verbindingsenergie van 3.661 J/m2.

3. Vanwege zijn ultradunne aard vertoont de zorgvuldig vervaardigde overgangslaag tussen diamant en koper een lage thermische weerstand. 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)De twee mogelijke knelpunten voor thermische overdracht zijn dus geen beperkende factoren meer voor de diamanten/koperinterface.

De verbindingssterkte van het interfacesysteem steeg effectief tot covalente bindingsniveaus, maar de warmteoverdracht van het interfacesysteem (G = 93,5 MW/m2K) bleef onveranderd.Het is belangrijk dat de Europese Unie een goede balans bereikt tussen deze twee belangrijke factorenUit de analyses blijkt dat de gelijktijdige verbetering van deze twee belangrijke factoren de oorzaak is van de superieure thermische geleidbaarheid van de diamant/kopercomposites.

 

ZMSH'S Oplossing

Kopersubstraat enkelkristal Cu-wafer 5x5x0.5/lmm 10x10x0.5/1mm 20x20x0.5/1mm a=3.607A

Al substraat enkelkristal Aluminium substraat zuiverheid 99/99% 5×5×1/0,5 mm 10×10×1/0,5 20x20x0,5/1 mm