Diamant/koper (Cu) samengestelde materialen voor hoge thermische geleidbaarheid en verbeterde mechanische prestaties
April 27, 2025
Sinds de jaren tachtig neemt het niveau van integratie van schakelingen in elektronische componenten jaarlijks met een tempo van 1,5 maal of zelfs sneller toe.Naarmate het niveau van integratie van geïntegreerde schakelingen stijgt, neemt de stroom dienovereenkomstig toe, waardoor tijdens de werking meer warmte wordt gegenereerd.het kan thermische schade aan elektronische onderdelen veroorzaken en hun levensduur verkortOm aan de toenemende vraag naar warmteafvoer van elektronische componenten te voldoen, worden daarom continu elektronische verpakkingsmaterialen met een hoge thermische geleidbaarheid onderzocht en geoptimaliseerd.
Zuivere metalen zoals Cu, Ag en Al hebben een hoge thermische geleidbaarheid, maar overdreven hoge thermische uitbreidingspercentages.om de normale werking van elektronische onderdelen te waarborgen en hun levensduur te verlengen, is er dringend behoefte aan de ontwikkeling van nieuwe verpakkingsmaterialen met een hoge thermische geleidbaarheid en passende koefficiënten van thermische uitbreiding.met een Mohs-hardheid van 10, en is tevens een van de natuurlijke materialen met de hoogste thermische geleidbaarheid, die 200 tot 2200 W/(m·K bereikt.Diamant/kopercomposites met koper als matrix en diamant als versterking worden algemeen beschouwd als de toekomstige gangbare elektronische verpakkingsmaterialen met een hoge thermische geleidbaarheid.
Diamond/Copper Composite is een hoogwaardig composietmateriaal dat bestaat uit diamant
Gemene voorbereidingsmethoden voor diamant/kopercomposites zijn: poedermetallurgie, hoge temperatuur en hoge druk, smeltinfiltratie, vonkplasmasinterring, koud sproeien en anderen.
(1) Poedermetallurgie
Diamantdeeltjes mengen metHet vermengingsproces kan een bepaalde hoeveelheid bindmiddel en vormingsmiddelen toevoegen.Sintering wordt uitgevoerd om hoog warmtegeleidend diamant/Cu-composites te verkrijgenPoedermetallurgie is een eenvoudig proces met relatief lage kosten en is een relatief volwassen sintertechniek.BovendienIn de eerste plaats zijn de geprepareerde monsters beperkt in grootte en eenvoudig in vorm, waardoor het moeilijk is om rechtstreeks thermisch superieure warmtegeleidende materialen te verkrijgen.
(2) Hoge temperatuur en hoge druk
(3) Infiltratie van smelt
(4) Spark Plasma Sintering (SPS)
(5) Koud sproeien
Koudbespuitende afzetting bestaat uit het plaatsen van twee gemengde poeders in een ovenkamer, waar na het smelten van metaal en het atomiseren van vloeibaar metaal,de deeltjes worden gespoten en op een substraatplaat afgezet om composietmateriaal te verkrijgen.
Er worden strategieën toegepast om de interfaceproblemen tussen diamant en de Cu-matrix aan te pakken.
Voor de vervaardiging van samengestelde materialen is wederzijdse bevochtigbaarheid tussen de componenten een noodzakelijke voorwaarde voor een succesvolle combinatie.en het speelt een cruciale rol bij het bepalen van de interfacestructuur en binding staatDe slechte bevochtigbaarheid tussen diamant en koper leidt tot een hoge thermische weerstand op het oppervlak.die van cruciaal belang is voor het verbeteren van de prestaties van de composieten.
Momenteel worden twee hoofdstrategieën gebruikt om de interfaceproblemen tussen diamant en de Cu-matrix aan te pakken:
Oppervlaktewijziging van diamant
De oppervlakte van de diamantdeeltjes met actieve elementen zoals Mo, Ti, W of Cr kunnen aanzienlijk verbeteren.Deze elementen reageren met het koolstof op het diamantoppervlak om een transitielaag van carbide te vormen.Bovendien kunnen dergelijke coatings de diamantstructuur beschermen tegen afbraak bij verhoogde temperaturen.
Legering van de kopermatrix
Voor de verwerking van composieten kan de kopermatrix met actieve elementen worden gelegeerd.De introductie van actieve elementen in de kopermatrix vermindert effectief de contacthoek tussen diamant en koper en bevordert de vorming van een carbidelaag op de diamant/Cu-interfaceDeze carbiden, die gedeeltelijk oplosbaar kunnen zijn in de kopermatrix, helpen interfaciale leegtes te vullen en de thermische prestaties aanzienlijk te verbeteren.
Marktlandschap en ontwikkelingstrends
Marktstructuur
Internationaal leiderschap:
De high-end markten worden gedomineerd door internationale spelers zoals AMETEK (VS) en Sumitomo Electric (Japan), die voornamelijk de militaire en ruimtevaartsector bedienen.Heraeus (Duitsland) en Toho Titanium (Japan) richten zich op substraten voor thermisch beheer voor consumentenelektronica.
Vooruitgang van de binnenlandse productie:
Chinese fabrikanten (bijv. Instituut voor metaalonderzoek, Chinese Academie van Wetenschappen;Hunan Dingli Technology) hebben met behulp van poedermetallurgische methoden een massaproductie bereikt van 6-inch diamant/Cu-composite-substratenTegen 2023 hebben Chinese bedrijven 25% van het binnenlandse marktaandeel ingenomen.
Grootte van de markt
Volgens een prognose van QY Research zal de wereldwijde markt voor diamant/Cu-composites in 2025 naar verwachting 1,2 miljard USD bereiken, met een samengestelde jaarlijkse groeipercentage (CAGR) van 18%.De regio Azië-Pacific zal naar verwachting meer dan 50% van de wereldwijde vraag uitmaken.
In de 5G-communicatiesector zal de vraag naar thermische beheersmodules voor basisstations naar verwachting in 2024 leiden tot een toename van 300% van het verbruik van samengestelde materialen.
Toekomstige trends
Doorbraken in de technologie van synthetische diamanten:
De kosten van chemische dampdepositie (CVD) -diamanten zullen naar verwachting binnen het komende decennium dalen tot een tiende van het huidige niveau.
Heterogene integratie toepassingen:
Ontwikkeling van ultradunne, flexibele thermische films door diamant te combineren met tweedimensionale materialen zoals grafeen en boronnitride.
Intelligent thermisch beheer:
Integratie van temperatuursensoren in diamant/Cu-substraten om realtime thermische verdeling te controleren en dynamische thermische regulering mogelijk te maken.
Uitdagingen en toekomstige onderzoeksrichtingen
Technische knelpunten
Het is moeilijk tegelijkertijd een lage thermische weerstand op het oppervlak en een hoge massaproductieopbrengst te bereiken, waardoor de penetratie van diamant/Cu-composites in de consumentenelektronica markten wordt beperkt.
Aanhoudende problemen met oxidatie van de interface en elementaire diffusie tijdens langdurig gebruik bij hoge temperaturen.
Onderzoeksrichtingen
Biomimetische interfaceontwerp:
Geïnspireerd door gelaagde structuren in de natuur (bijv. nacre) worden verscheidene versterkingsdistributiestrategieën onderzocht om de thermo-mechanische koppeling te optimaliseren.
Groene productieprocessen:
Ontwikkeling van milieuvriendelijke processen zoals cyanidevrij galvaniseren en laagtemperatuursinteren om de CO2-uitstoot te verminderen.
Ultrahoge temperatuurcomposites:
Onderzoek naar de toepassingsmogelijkheden van diamant/Cu-composites bij temperaturen van meer dan 1000°C.
Conclusies
Dankzij hun ongeëvenaarde thermische geleidbaarheid en uitgebreide mechanische voordelen,Diamant/Cu-composites worden steeds belangrijker voor elektronische apparaten en toepassingen met een hoge vermogendichtheid onder extreme omstandighedenOndanks de uitdagingen bij het optimaliseren van de interface en het verminderen van de kosten,De voortdurende vooruitgang in de synthetische technieken en de geleidelijke rijping van de industriële keten maken de weg vrij voor een bredere toepassing.
In de toekomst zullen door middel van interdisciplinaire innovaties die de materiaalwetenschappen, nanotechnologieën,Het is de verwachting dat de technologieën van de technologieën van de elektronische industrie en kunstmatige intelligentie diamant/Cu-composites - elektronische apparaten naar een hogere prestatie zullen leiden.Bovendien zullen deze materialen een cruciale rol spelen bij het verbeteren van de wereldwijde energie-efficiëntie en het ondersteunen van CO2-neutraliteitsinitiatieven.
Andere aanbevelingen voor gerelateerde producten
Kopersubstraat enkelkristal Cu-wafer 5x5x0.5/lmm 10x10x0.5/1mm 20x20x0.5/1mm