Elmas/Bakır kompozit malzemeler, sınırlamaları aşıyor!

Bilgisayar, 5G/6G, piller dahil olmak üzere modern elektronik cihazların sürekli minyatürleşmesi, entegrasyonu ve yüksek performansı ile,Güç elektronikleri ve güç yoğunluğunun artması, cihazların içindeki yüksek sıcaklıklara ve şiddetli Joule ısıtmalarına yol açtı.Bu, performans bozulmasına ve cihaz arızalarına neden olur.gelişmiş ısı yönetimi malzemelerinin elektronik bileşenlere entegre edilmesi, ısı dağılım kapasitesini önemli ölçüde artırabilir.

Elmaslar, tüm toplu malzemeler arasında en yüksek izotropik termal iletkenliği (k = 2300 W/mK) sergileyen mükemmel termal özelliklere sahiptir.ve oda sıcaklığında çok düşük bir termal genişleme katsayısına sahiptir (CTE = 1 ppm/K). 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.

Bununla birlikte, elmas ve bakır arasında, CTE (büyüklük sırasındaki önemli bir farkla,Şekil (a) 'de gösterildiği gibi) ve kimyasal yakınlık (karışmazlar ve kimyasal reaksiyonlara maruz kalmazlar)Şekil (b)'de gösterildiği gibi.

Bu uyumsuzluklar kaçınılmaz olarak yüksek sıcaklıkta üretim veya entegrasyon süreçleri sırasında elmas/bakır kompozitlerinin doğal olarak düşük yapışma gücüne yol açar.ve elmas/bakır ara yüzünde yüksek termal stresSonuç olarak, elmas/bakır kompozitleri, ısı iletkenliğini önemli ölçüde azaltan ara yüz çatlaklarına eğilimlidir (elmas ve bakır doğrudan bağlandığında,K değerleri saf bakır değerinden çok daha düşük olabilir., 200 W/mK altında bile).

Şu anda, ana iyileştirme yöntemi, metal alaşımı veya yüzey metalleşmesi yoluyla elmas/elmas arayüzünün kimyasal olarak değiştirilmesini içerir.Arayüzde oluşturulan geçiş ara katmanı, ara yüz bağlama gücünü artırabilir, ve nispeten daha kalın bir ara katman, arayüz çatlamasına karşı daha yararlıdır.Ara katmanın kalınlığı yüzlerce nanometre hatta mikrometre civarında olmalıdır.Bununla birlikte, elmas/bakır arayüzündeki karbidler (örneğin, TiC, ZrC, Cr3C2) gibi geçiş katmanları daha düşük içsel ısı iletkenliklere sahiptir (< 25 W/mK),Elmas veya bakırdan birkaç büyüklük derecesinde daha az• Yüzey ısı aktarımı verimliliğinin iyileştirilmesi açısından, geçiş katmanının kalınlığını en aza indirgemek gereklidir, çünkü termal direnç modeline göre,yüzey ısı iletkenliği (G_cu-diamant) ara katman kalınlığına ters orantılıdır (d).

Nispeten daha kalın bir geçiş katmanı, elmas / elmas arayüzünde yüzey bağlama gücünü artırmaya yardımcı olurken,Ara katmanın aşırı ısı direnci, arayüz boyunca ısı aktarımını engeller.Bu nedenle, 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.

Ara yüzün kimyasal durumu heterojen malzemeler arasındaki ara yüz bağlanma gücünü belirler.Kimyasal bağlar van der Waals kuvvetlerinden veya hidrojen bağlarından çok daha güçlüdür.Öte yandan,Karşılığın her iki tarafındaki termal genişleme uyuşmazlığı (T CTE ve sıcaklığı temsil ederken) elmas/bakır kompozitlerinin yapışma gücünü etkileyen başka bir kritik faktördür.Şekil (a) 'da gösterildiği gibi, elmas ve bakır arasında termal genişleme katsayısı büyüklüklerinde önemli bir fark vardır.

Genel olarak,Termal genişleme uyumsuzluğu her zaman birçok kompozitin performansını etkileyen önemli bir faktör olmuştur, çünkü dolguyu çevreleyen yer değiştirme yoğunluğu soğutma sırasında önemli ölçüde artar.Özellikle AlN/Al kompozitleri, TiB2/Mg kompozitleri, SiC/Al kompozitleri ve bu makalede incelenen elmas/bakır kompozitleri gibi metal olmayan dolgularla güçlendirilmiş metal matris kompozitlerinde..Ek olarak, elmas/bakır kompozitlerinin hazırlama sıcaklığı nispeten yüksektir ve tipik olarak geleneksel süreçlerde 900 °C'yi aşar.Önemli termal genişleme uyumsuzluğu, elmas/bakır arayüzünde germe durumunda kolayca termal stres oluşturabilir., yüzey yapışımında keskin bir düşüşe ve hatta arayüz arızasına yol açar.

Başka bir deyişle, ara yüzün kimyasal durumu, ara yüz bağlanma gücü için teorik potansiyeli belirler.Termal uyumsuzluk, yüksek sıcaklıklı kompozit imalatından sonra yüzeysel bağlanma gücünün azalmasını belirlerkenBu nedenle, nihai yüzey bağlanma gücü, bu iki faktör arasındaki etkileşimin sonucudur.Çoğu güncel çalışma, ara yüzün kimyasal durumunu ayarlayarak yüzey bağlama gücünü iyileştirmeye odaklanır., örneğin geçiş ara katmanının türü, kalınlığı ve morfolojisi.Ara yüzünde şiddetli termal uyumsuzluk nedeniyle yüzey yapışma gücünün azalması henüz yeterli ilgi görmemiştir..

Şekil (a) 'da gösterildiği gibi hazırlık süreci üç ana aşamayı içerir.70 nm nominal kalınlığında ince bir titanyum (Ti) kaplaması elmas parçacıklarının yüzeyine bırakılır (model): HHD90, ağ boyutu: 60/70, Huanghe Whirlwind Co., Ltd., Henan, Çin) 500 °C'de radyo frekanslı magnetron püskürtmesi kullanılarak. Yüksek saflıklı titanyum hedefleri (saflık: 99.99%) kaynak malzeme olarak kullanılır., ve argon gazı (temizlik: 99.995%) püskürtme gazı olarak hizmet eder. Ti kaplamanın kalınlığı çökme süresini ayarlayarak kontrol edilir.Substrat rotasyon tekniği kullanılır., elmas parçacıklarının tüm yüzeylerinin püskürtme atmosferine maruz kalmasına izin verir,Ti elementinin elmas parçacıklarının tüm yüzey düzlemlerinde eşit şekilde depolanmasını sağlamak (özellikle iki tür yüzeyi içeren): (001) ve (111)).

İkincisi, ıslak karıştırma işlemi sırasında, elmas parçacıklarının bakır matrisinin içinde eşit bir dağılımını sağlamak için % 10 ağırlıkta alkol eklenir.Parçacık boyutu: 5?? 20 μm, Zhongnuo Advanced Materials Technology Co., Ltd., Çin) ve yüksek kaliteli tek kristal elmas parçacıkları matris (55 vol%) ve güçlendirme fazı (45 vol%) olarak kullanılır.sırasıyla.

Son olarak, alkol önceden basılmış kompozit malzemeden 10^-4 Pa yüksek bir vakumda çıkarılır.Ve bakır-elmas kompozit malzeme toz metalürjisi yöntemleri (parlak plazma sinterleme) kullanarak yoğunlaştırılır., SPS).

SPS hazırlama sürecinde, ince arayüz modifikasyonu (70 nm) ile birleştirerek, düşük sıcaklıklı yüksek basınçlı (LTHP) sinterleme tekniğini yenilikçi bir şekilde önerdik.Katmanın kendisi tarafından ortaya atılan termal direnci azaltmak için, ince bir arabirim modifikasyon katmanı (70 nm) kullanıldı. Karşılaştırma için, kompozit malzemeleri geleneksel Yüksek Sıcaklık Alt Basınçlı Sinterleme (HTLP) işlemiyle de hazırladık.HTLP sinterleme tekniği, elmas ve bakırı yoğun kompozitlere entegre etmek için önceki çalışmalarda yaygın olarak kullanılan geleneksel bir yöntemdirBu HTLP işlemi tipik olarak 900°C'nin üzerinde yüksek bir sinterleme sıcaklığı (bakırın erime noktasına yakın) ve yaklaşık 50 MPa'lık düşük bir sinterleme basıncı kullanır.Sinterleme sıcaklığı 600°C olarak ayarlanmıştır.Aynı zamanda, geleneksel grafit kalıplarını sert alaşım kalıplarla değiştirerek,Sinterleme basıncı 300 MPa'ya kadar önemli ölçüde artırılabilirHer iki işlem için de sinterleme süresi 10 dakikadır. LTHP işlem parametrelerinin optimize edilmesi hakkında ek detaylar ek malzemelerde bulunur.Farklı süreçler için deneysel parametreler (LTHP ve HTLP) Şekil (b) de gösterilmiştir..

Yukarıdaki araştırmanın sonuçları, bu zorlukların üstesinden gelmeyi ve elmas/bakır kompozitlerinin termal taşıma özelliklerini iyileştirme mekanizmalarını açıklamayı amaçlamaktadır:

1. Ultra ince arayüz modifikasyonunu LTHP sinterleme işlemiyle birleştiren yeni bir entegrasyon stratejisi geliştirildi.Sonuçta elde edilen elmas/bakır kompozit 763 W/mK yüksek ısı iletkenlik değeri (k) elde etti, termal genişleme katsayısı (CTE) değeri 10 ppm/K'den daha az.Daha düşük bir elmas hacmi kesiminde bile yüksek bir k değeri elde edildi (genel toz metalürjisi süreçlerinde tipik olan 50%-70% ile karşılaştırıldığında% 45)., Elmas dolgu miktarını azaltarak maliyetlerin önemli ölçüde azaltabileceğini göstermektedir.

2. Önerilen stratejiyle, rafine edilmiş arayüz yapısı elmas/TiC/CuTi2/Cu katmanlı bir yapı olarak karakterize edildi.Bu da geçiş katmanının kalınlığını yaklaşık 100 nm'ye kadar büyük ölçüde azaltmıştır., daha önce kullanılan birkaç yüz nanometre veya hatta mikrometreye göre çok daha az.Ara yüz bağlama gücü hala kovalent bağ seviyelerine yükseltildi., 3.661 J/m2'lik bir arayüz bağlanma enerjisi ile.

3. Çok ince yapısı nedeniyle, dikkatlice hazırlanmış elmas/bakır ara yüzü geçiş katmanı düşük termal direnci göstermektedir. 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)Dolayısıyla, iki potansiyel ısı transferi engelliği, elmas/bakır arayüzü için artık sınırlayıcı faktörler değildir.

Arayüz bağlanma gücü, kovalent bağlama seviyelerine kadar etkili bir şekilde arttı.Bu iki kritik faktör arasında mükemmel bir dengeyi elde etmekAnalizler, bu iki anahtar faktörün eşzamanlı olarak iyileştirilmesinin elmas/bakır kompozitlerinin üstün ısı iletkenliğinin nedeni olduğunu göstermektedir.

 

ZMSH'nin Çözümü

Bakır substrat tek kristal Cu wafer 5x5x0.5/lmm 10x10x0.5/1mm 20x20x0.5/1mm a=3.607A

Al substrat tek kristal Alüminyum substrat saflığı 99/99% 5×5×1/0.5 mm 10×10×1/0.5 20x20x0.5/1mm