Elmas/Bakır bileşik malzemeler, sınırı kırın!

Elmas/Bakır bileşik malzemeler, sınırı kırın!

Bilgisayar, 5G/6G, piller ve güç elektronikleri de dahil olmak üzere modern elektronik cihazların sürekli minyatürleşmesi, entegrasyonu ve yüksek performansı ile,Artan güç yoğunluğu, cihaz kanallarında şiddetli joule ısı ve yüksek sıcaklığa yol açar.Bu, performans bozulması ve cihaz arızası ile takip edilir.gelişmiş ısı yönetimi malzemelerinin elektronik cihazlara entegre edilmesi, ısı dağılım yeteneklerini önemli ölçüde artırabilir.

Elmas mükemmel termal özelliklere sahiptir, tüm toplu malzemeler arasında en yüksek izotropik termal iletkenliğe sahiptir (k= 2300W/mK),ve oda sıcaklığında çok düşük bir termal genişleme katsayısına sahiptir (CTE=1ppm/K). Elmas parçacıkla güçlendirilmiş bakır matris (elmas/bakır) kompozitleri, yeni nesil termal yönetim malzemeleri olarak,potansiyel yüksek k değeri ve ayarlanabilir CTE nedeniyle büyük ilgi gördüler..

Bununla birlikte, elmas ve bakır arasında CTE (büyüklük sırasındaki net bir fark,Şekil (a) 'de gösterildiği gibi) ve kimyasal yakınlık (sert çözeltme yok)Şekil (b) 'de gösterildiği gibi, kimyasal reaksiyon yoktur.

Bakır ve elmas arasındaki önemli performans farklılıkları (a) termal genişleme katsayısı (CTE) ve (b) faz diyagramı

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 compositesSonuç olarak, elmas/bakır kompozitler kaçınılmaz olarak ara uç çatlama sorunlarıyla karşılaşacak ve ısı iletkenliği büyük ölçüde azalmış olacak (almas ve bakır doğrudan birleştirildiğinde,K değeri saf bakırdan çok daha düşüktür (< 200W/mK)).

Şu anda, temel iyileştirme yöntemi, metal alaşımı veya yüzey metalleşmesi yoluyla elmas/almaz arayüzünü kimyasal olarak değiştirmektir.Arayüz üzerinde oluşturulan geçiş ara katmanı arayüz bağlama kuvvetini iyileştirecektir, ve nispeten kalın ara katman, arayüz çatlamasına karşı daha elverişlidir.Ara katmanın kalınlığı yüzlerce nanometre hatta mikrometre olmalıdır.Bununla birlikte, elmas/bakır arayüzünde bulunan karbitler (TiC, ZrC, Cr3C2, vb.) gibi geçiş katmanları daha düşük özsel ısı iletkenliğine sahiptir (< 25W/mK,Elmas veya bakırdan birkaç büyüklük derecesi daha küçük)Arayüz ısı dağılımı verimliliğini iyileştirme açısından, geçiş sandviçinin kalınlığını en aza indirmek gerekir.Çünkü termal direnç serisi modeline göre, arayüz ısı iletkenliği (G bakır-elmas) sandviç kalınlığına ters orantılıdır (d):

Nispeten kalın geçiş katmanı, elmas/elmas arayüzünün arayüz bağlama gücünü iyileştirmeye yardımcı olur.Ancak ara katmanın aşırı ısı direnci, arayüz ısı aktarımına elverişli değildir.Bu nedenle, 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.

Ara yüzün kimyasal durumu heterojen malzemeler arasındaki ara yüz bağlanma gücünü belirler.Kimyasal bağlar van der Waals kuvvetlerinden veya hidrojen bağlarından çok daha yüksektir.Öte yandan, ara yüzün iki tarafı arasındaki termal genişleme uyumsuzluğu (T CTE ve sıcaklığı ifade ederken,Altyazı/bakır kompozitlerinin ara yüz bağlanma gücünü belirlemede başka bir önemli faktördür.Yukarıdaki Şekil (a) 'da gösterildiği gibi, elmas ve bakırın termal genişleme katsayısı büyüklük sırasıyla açıkça farklıdır.

Genel olarak, termal genişleme uyumsuzlukları, birçok kompozitin performansını etkileyen önemli bir faktör olmuştur, çünkü dolguların çevresindeki yer değiştirme yoğunluğu soğutma sırasında önemli ölçüde artar.Özellikle metalik olmayan dolgularla güçlendirilmiş metal matris kompozitlerdeBu makalede incelenen AlN/Al kompozitleri, TiB2/Mg kompozitleri, SiC/Al kompozitleri ve elmas/bakır kompozitleri gibi.Elmas/bakır kompozit daha yüksek bir sıcaklıkta hazırlanırGeleneksel işlemlerde genellikle 900 ° C'den daha yüksek. Açıkça görülen termal genişleme uyumsuzluğu, elmas/bakır arayüzünün germe durumunda termal gerginlik üretmesi kolaydır.Karşılaştırma yapışkanlığının keskin bir şekilde azalmasına ve hatta arayüz başarısızlığına neden olur.

Başka bir deyişle, yüzey kimyasal durumu, yüzey bağının teorik potansiyelini belirler.ve termal uyumsuzluk, kompozit malzemenin yüksek sıcaklıkta hazırlanmasından sonra yüzeysel bağ dayanıklılığının düşüş derecesini belirler.Bu nedenle, nihai arayüz bağlayıcı kuvveti yukarıdaki iki faktör arasındaki oyunun sonucudur.En güncel çalışmalar, ara yüzün kimyasal durumunu ayarlayarak ara yüz bağlanma gücünü iyileştirmeye odaklanır.Bununla birlikte, ciddi termal uyumsuzluktan kaynaklanan arayüz bağının gücünün azalması yeterince dikkate alınmamıştır.

Somut deney

Aşağıdaki Şekil (a) 'da gösterildiği gibi, hazırlık süreci üç ana aşamadan oluşur.Elmas parçacıklarının yüzeyinde 70nm nominal kalınlığı olan ultra ince bir Ti kaplama (Model: HHD90, mesh: 60/70, Henan Huanghe Cyclone Co., LTD., Çin) 500 ° C'de RF magnetron püskürtme deppozisyon yöntemiyle.99%) titanyum hedefi olarak kullanılır (kaynak malzeme), ve argon (saflığı: 99.995%) püskürtme gazı olarak kullanılır. Titanyum kaplamanın kalınlığı, çökme süresini kontrol ederek kontrol edilir.Altyapı rotasyon teknolojisi, elmas parçacıklarının tüm yüzlerini püskürtme atmosferine maruz bırakmak için kullanılır., ve Ti unsuru elmas parçacıklarının tüm yüzey düzlemlerinde eşit bir şekilde yatırılır (özellikle iki yönü içerir: (001) ve (111)).10 wt% alkol, elmas parçacıklarının bakır matrisinde eşit şekilde dağıtılmasını sağlamak için ıslak karıştırma işleminde eklenir.Saf bakır tozu (saflık: 99.85wt%, parçacık boyutu: 5 ~ 20μm, China Zhongnuo Advanced Material Technology Co., LTD.) ve yüksek kaliteli tek kristal elmas parçacıkları matris (55vol%) ve takviye (45vol%) olarak kullanılır.Son olarak, önceden basılmış kompozit içindeki alkol 10-4Pa yüksek bir vakum ile çıkarılır.ve daha sonra bakır ve elmas kompozit toz metalürjisi ile yoğunlaştırılır (ışık plazma sinterleme), SPS).

(a) Elmas/bakır kompozitlerinin hazırlanma sürecinin şematik şeması; (b) SPS toz metalürjisi hazırlamasında farklı sinterleme süreçleri

SPS hazırlama sürecinde, yenilikçi bir şekilde düşük sıcaklıklı yüksek basınçlı (LTHP) sinterleme süreci önerdik ve onu ultra ince bir kaplamanın (70nm) arayüz modifikasyonuyla birleştirdik.Kaplamanın kendisinin termal direncini azaltmak için, bu çalışmada ultra ince bir arayüz değiştirilmiş katman (70nm) kullanıldı. Karşılaştırma için, kompozitleri geleneksel yüksek sıcaklık düşük basınçlı (HTLP) sinterleme işlemini kullanarak hazırladık.HTLP sinterleme işlemi, daha önce bildirilen çalışmalarda elmas ve bakırı yoğun kompozitlere entegre etmek için yaygın olarak kullanılan geleneksel bir formülasyondurBu HTLP işlemi tipik olarak > 900 °C (bakırın erime noktasına yakın) yüksek bir sinterleme sıcaklığı ve ~ 50MPa düşük bir sinterleme basıncı kullanır.Sinterleme sıcaklığı 600°C olarak tasarlanmıştır.Aynı zamanda, geleneksel grafit kalıbını çimento karbid kalıbıyla değiştirerek, sinterleme basıncı 300MPa'ya kadar büyük ölçüde artırabilir.Yukarıdaki iki işlemin sinterleme süresi 10 dakikadır.Ek materyallerde LTHP işlem parametrelerinin optimize edilmesi hakkında ek bir açıklama yaptık.Farklı işlemler için (LTHP ve HTLP) ayrıntılı deneysel parametreler yukarıdaki Şekil (b) de gösterilmiştir..

Sonuçlar

Yukarıdaki araştırma, bu zorlukların üstesinden gelmeyi ve elmas/bakır kompozitlerinin ısı transferi performansını iyileştirme mekanizmalarını açıklamayı amaçlamaktadır.

1Ultra ince arayüz modifikasyonunu LTHP sinterleme işlemiyle birleştirmek için yeni bir entegre strateji geliştirildi.Alınan elmas/bakır kompozit 763W/mK yüksek bir k değerine ve 10ppm/K'dan daha düşük bir CTE değerine ulaşır.Aynı zamanda, daha düşük bir elmas hacmi kesirinde daha yüksek bir k değeri elde edilebilir (45%, geleneksel toz metalürjisi süreçlerinde %50-70% ile karşılaştırıldığında),Bu, elmas dolgu maddelerinin içeriğini azaltarak maliyetlerin önemli ölçüde azaltılabileceği anlamına gelir..

2Önerilen strateji ile ince arayüz yapısı bir elmas / TiC / CuTi2 / Cu katmanlı yapı olarak karakterize edilir, bu da geçiş katmanları arasındaki kalınlığı ~ 100nm'ye kadar büyük ölçüde azaltır.Daha önce kullanılan yüzlerce nanometre veya hatta birkaç mikrondan çok daha azBununla birlikte, hazırlama işlemi sırasında termal stres hasarının azalması nedeniyle, yüzeysel bağ gücü hala kovalent bağ seviyesine yükseltilmiştir.ve yüzey bağ enerjisi 3'tür.661J/m2.

3Çok ince kalınlığı nedeniyle, dikkatlice yapılmış elmas/bakır ara ara geçiş sandviçinin düşük termal direnci vardır.MD ve Ab-initio simülasyon sonuçları, elmas/titan karbid ara yüzünün iyi fonon özelliği eşleşmesine ve mükemmel ısı aktarım kapasitesine sahip olduğunu göstermektedir (G> 800MW/m2K)Dolayısıyla, iki olası ısı aktarımı sıkışıklığı, elmas/bakır arayüzünde artık sınırlayıcı faktörler değildir.

4Karşılaştırma bağ gücü, kovalent bağ seviyesine kadar etkili bir şekilde iyileştirilmiştir. Bununla birlikte, karşılaştırma ısı transferi kapasitesi (G= 93.5MW/m2K) etkilenmemiştir.Bu iki önemli faktör arasında mükemmel bir denge sağlıyor.Analiz, bu iki temel faktörün eşzamanlı olarak iyileştirilmesinin elmas/bakır kompozitlerinin mükemmel ısı iletkenliğinin nedeni olduğunu göstermektedir.