Diamentowo-miedziany materiał kompozytowy, przekrocz granicę!

Diamentowo-miedziany materiał kompozytowy, przekrocz granicę!

Dzięki ciągłej miniaturyzacji, integracji i wysokiej wydajności nowoczesnych urządzeń elektronicznych, w tym komputerowych, 5G/6G, baterii i elektroniki mocy,wzrost gęstości mocy prowadzi do silnego ciepła i wysokich temperatur w kanałach urządzeniaW celu złagodzenia tego problemu, wprowadzono nowe rozwiązania, które mają na celu zmniejszenie emisji ciepła w produktach elektronicznych.Integracja zaawansowanych materiałów do zarządzania ciepłem w urządzeniach elektronicznych może znacząco poprawić ich zdolności rozpraszania ciepła.

Diament ma doskonałe właściwości termiczne, najwyższą izotropową przewodność cieplną spośród wszystkich materiałów masowych (k= 2300W/mK),i ma bardzo niski współczynnik rozszerzania cieplnego w temperaturze pokojowej (CTE=1 ppm/K). kompozyty miedziane z matrycą wzmocnioną diamentem (diament/miedź) jako nowa generacja materiałów do zarządzania cieplą,Zaleca się, aby stosować stosowane środki przeciwbólowe, w tym środki przeciwbólowe..

Jednakże istnieją znaczące niezgodności między diamentem a miedź w wielu właściwościach, w tym, ale nie ograniczając się do CTE (wyraźna różnica w porządku wielkości,jak pokazano na rysunku (a)) i powinowactwo chemiczne (brak roztworu stałego), bez reakcji chemicznej, jak pokazano na rysunku (b)).

Znaczące różnice w wydajności pomiędzy miedzią a diamentem (a) współczynnik rozszerzenia termicznego (CTE) i (b) schemat fazy

These mismatches inevitably result in low bond strength and high thermal stress at the diamond/copper interface inherent in the high temperature manufacturing or integration process of diamond/copper compositesW rezultacie kompozyty diamentowo-miedziane nieuchronnie napotkają problemy z pęknięciem na interfejsie, a przewodność cieplna będzie znacznie zmniejszona (gdy diament i miedź są bezpośrednio łączone,jego wartość k jest nawet znacznie niższa niż w przypadku miedzi czystej (< 200W/mK)).

Obecnie główną metodą doskonalenia jest chemiczna modyfikacja interfejsu diament/diament poprzez stopnianie metalu lub metalizację powierzchni.Poziom przejściowy utworzony na interfejsie poprawi siłę wiązania interfejsu, a stosunkowo gruba warstwa pośrednia jest bardziej sprzyjająca odporności na pęknięcie interfejsu.grubość warstwy pośredniej musi wynosić setki nanometrów lub nawet mikrometrówJednakże warstwy przejściowe na interfejsie diament/miedź, takie jak węglowodany (TiC, ZrC, Cr3C2, itp.), mają niższą wewnętrzną przewodność cieplną (< 25 W/mK,kilka kolejności mniejsze niż diament lub miedź)Z punktu widzenia poprawy wydajności rozpraszania ciepła w interfejsie konieczne jest zminimalizowanie grubości kanapki przejściowej,ponieważ według modelu serii oporu termicznego, przewodność cieplna interfejsu (G miedź-diament) jest odwrotnie proporcjonalna do grubości kanapki (d):

Stosunkowo gruba warstwa przejściowa sprzyja poprawie siły wiązania interfejsu diament/interfejsu diament,ale nadmierna odporność termiczna warstwy między warstwą nie sprzyja transferu ciepła między warstwamiDlatego... a major challenge in integrating diamond and copper is to maintain a high interfacial bonding strength while not introducing excessive interfacial thermal resistance when adopting interfacial modification methods.

Stan chemiczny interfejsu określa wytrzymałość wiązania interfejsu między materiałami heterogenicznymi.Wiązania chemiczne są znacznie wyższe niż siły van der Waals lub wiązania wodoroweZ drugiej strony niezgodność rozszerzenia termicznego między dwoma stronami interfejsu (gdzie T odnosi się do CTE i temperatury,W przypadku, gdy wzorcowe materiały zawierające diamenty i miedź (odpowiednio) stanowią jeden z kluczowych czynników określających wytrzymałość wiązania międzymianowegoJak pokazano na rysunku (a) powyżej, współczynnik rozszerzenia termicznego diamentu i miedzi jest wyraźnie różny w kolejności wielkości.

Ogólnie rzecz biorąc, niezgodności rozszerzenia termicznego były kluczowym czynnikiem wpływającym na wydajność wielu kompozytów, ponieważ gęstość zniekształceń wokół wypełniaczy znacznie wzrasta podczas chłodzenia,w szczególności w kompozytach metalowych wzmocnionych wypełniaczami niemetalicznymiW tym artykule analizowane są kompozyty AlN/Al, TiB2/Mg, SiC/Al oraz diament/miedź.kompozyt diamentowo-miedziany jest przygotowywany w wyższej temperaturze, zwykle większe niż 900 °C w tradycyjnych procesach.powodując gwałtowny spadek przyczepności interfejsu, a nawet awaria interfejsu.

Innymi słowy, stan chemiczny powierzchni określa teoretyczny potencjał siły wiązania powierzchni,i niezgodność termiczna określa stopień spadku wytrzymałości wiązania powierzchniowego po wysokiej temperaturze przygotowania materiału kompozytowegoDlatego też ostateczna siła wiążąca interfejsu jest wynikiem gry między powyższymi dwoma czynnikami.Większość obecnych badań koncentruje się na poprawie siły wiązania interfejsu poprzez dostosowanie stanu chemicznego interfejsuJednakże nie poświęcono wystarczającej uwagi zmniejszeniu wytrzymałości wiązań interfejsów spowodowanej poważnym niezgodnością termiczną.

Konkretny eksperyment

Jak pokazano na rysunku (a) poniżej, proces przygotowania składa się z trzech głównych etapów.Na powierzchni cząstek diamentów złożono ultracienką powłokę Ti o nominalnej grubości 70 nm (model: HHD90, oczka: 60/70, Henan Huanghe Cyclone Co., LTD., China) w temperaturze 500°C metodą osadzenia magnetronem RF.99%) jest używany jako cel tytanu (materiał źródłowy)W procesie osadzania, grubość powłoki tytanu jest kontrolowana poprzez kontrolowanie czasu osadzania.Technologia rotacji podłoża jest stosowana do wystawienia wszystkich powierzchni cząstek diamentów na atmosferę rozpylaną, a element Ti jest równomiernie osadzony na wszystkich płaszczyznach powierzchni cząstek diamentowych (głównie obejmujących dwie strony: (001) i (111)).10 wt% alkoholu dodaje się w procesie mieszania na mokro, aby cząstki diamentu były równomiernie rozmieszczone w matrycy miedzianej. Czysty proszek miedziany (czystość: 99,85 wt%, wielkość cząstek: 5 ~ 20 μm, China Zhongnuo Advanced Material Technology Co., LTD.) oraz wysokiej jakości pojedyncze kryształowe cząstki diamentów są stosowane jako matryca (55vol%) i wzmocnienie (45vol%)Wreszcie alkohol z prepresowanego kompozytu usuwa się przy wysokiej próżni 10-4 Pa,a następnie kompozyt miedzi i diamentów jest gęstniany przez metalurgię proszkową (spark plasma sintering), SPS).

(a) Schematyczny schemat procesu przygotowania kompozytów diamentowo-miedzianych; (b) Różne procesy spiekania w procesie przygotowywania proszku metalicznego SPS

W procesie przygotowywania SPS innowacyjnie zaproponowaliśmy proces sinterujący w niskich temperaturach i wysokim ciśnieniu (LTHP) i połączyliśmy go z modyfikacją interfejsu ultracienkiej powłoki (70 nm).Aby zmniejszyć wprowadzenie oporności termicznej samej powłokiDla porównania, przygotowaliśmy również kompozyty przy użyciu tradycyjnego procesu spiekania wysokotemperaturowego niskiego ciśnienia (HTLP).Proces spiekania HTLP jest tradycyjną formułą, która była szeroko stosowana w wcześniej zgłoszonych pracach w celu integracji diamentu i miedzi w gęste kompozytyProces ten HTLP zazwyczaj wykorzystuje wysoką temperaturę spiekania > 900 °C (blisko punktu topnienia miedzi) i niskie ciśnienie spiekania ~ 50MPa. Jednak w naszym proponowanym procesie LTHP,temperatury spiekania jest zaprojektowana na 600°CW tym samym czasie, zastępując tradycyjną formę grafitową cementem z węglem, ciśnienie spiekania może zostać znacznie zwiększone do 300 MPa.Czas spiekania dwóch powyższych procesów wynosi 10 minut.W materiałach uzupełniających przedstawiono dodatkowe wyjaśnienia dotyczące optymalizacji parametrów procesu LTHP.Szczegółowe parametry eksperymentalne dla różnych procesów (LTHP i HTLP) przedstawiono na rysunku (b) powyżej..

Wniosek

Powyższe badania mają na celu pokonanie tych wyzwań i wyjaśnienie mechanizmów poprawy właściwości cieplnych kompozytów diamentowo-miedzianych.

1Opracowano nową zintegrowaną strategię łączenia ultracienkiej modyfikacji interfejsu z procesem sinterującym LTHP.Otrzymany kompozyt diamentowo-miedziany osiąga wysoką wartość k 763 W/mK i wartość CTE poniżej 10 ppm/KJednocześnie można uzyskać wyższą wartość k przy niższej części objętościowej diamentów (45% w porównaniu z 50%-70% w tradycyjnych procesach metalurgicznych w proszku),co oznacza, że koszty mogą zostać znacznie obniżone poprzez zmniejszenie zawartości diamentowych wypełniaczy.

2W ramach proponowanej strategii strukturę precyzyjnego interfejsu charakteryzują warstwy diamentowe /TiC/CuTi2/Cu, co znacznie zmniejsza grubość warstwy między warstwami przejściowymi do ~ 100 nm,znacznie mniejsze niż setki nanometrów lub nawet kilka mikronów wcześniej używanychJednakże, ze względu na zmniejszenie uszkodzeń cieplnych podczas procesu przygotowania, siła wiązania między powierzchniami jest nadal poprawiona do poziomu wiązania kowalentnego,a energia wiązania między powierzchniami wynosi 30,661 J/m2.

3Ze względu na ultra-cienką grubość, starannie wykonany sandwich przejściowy diamentowo-miedzian ma niską odporność termiczną.Wyniki symulacji MD i Ab-initio pokazują, że interfejs diament/karbid tytanowy ma dobre dopasowanie właściwości fononowych i doskonałą zdolność przenoszenia ciepła (G>800MW/m2K)W związku z tym dwa możliwe wąskie gardła w zakresie transferu ciepła nie są już ograniczającymi czynnikami na interfejsie diament/miedź.

4Siła wiązania interfejsu jest skutecznie poprawiona do poziomu wiązania kowalentnego.w wyniku czego osiąga się doskonała równowaga między dwoma kluczowymi czynnikamiAnaliza pokazuje, że jednoczesna poprawa tych dwóch kluczowych czynników jest przyczyną doskonałej przewodności cieplnej kompozytów diamentowo-miedzianych.