Диамант/медь композитный материал, нарушите лимит!

Диамант/медь композитный материал, нарушите лимит!

С постоянной миниатюризацией, интеграцией и высокой производительностью современных электронных устройств, включая вычислительные, 5G/6G, батареи и электроника,Увеличение плотности мощности приводит к сильной жаре и высокой температуре в каналах устройства.Для смягчения этой проблемы, производитель может использовать более высокие температуры, а также более высокие температуры.интеграция передовых материалов теплового управления в электронные устройства может значительно улучшить их способность рассеивания тепла.

Алмаз обладает превосходными тепловыми свойствами, высочайшей изотопной теплопроводностью из всех сыпучих материалов (k= 2300 W/mK),и имеет сверхнизкий коэффициент теплового расширения при комнатной температуре (CTE=1ppm/K). композиты алмазной матрицы (алмаз/мед) с укреплением алмазными частицами, в качестве нового поколения материалов для теплового управления,получили большое внимание из-за их потенциально высокого значения k и регулируемой CTE.

Однако существуют значительные несоответствия между алмазом и меди во многих свойствах, включая, но не ограничиваясь CTE (ясная разница в порядке величины,как показано на рисунке (а)) и химическое сродство (без твердого раствора), никакой химической реакции, как показано на рисунке (b)).

Значительные различия в производительности между меди и алмазом (a) коэффициент теплового расширения (CTE) и (b) фаза диаграмма

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 compositesВ результате, алмазные/медные композиты неизбежно столкнутся с проблемами с трещинами на интерфейсе, и теплопроводность будет значительно снижена (когда алмаз и медь напрямую сочетаются,его значение k даже намного ниже, чем у чистой меди (< 200 Вт/мК).

В настоящее время основным методом совершенствования является химическая модификация интерфейса алмаз / алмаз путем сплава металла или металлизации поверхности.Переходный промежуточный слой, сформированный на интерфейсе, улучшит силу связывания интерфейса, и относительно толстый промежуточный слой более благоприятен для устойчивости к трещинам интерфейса.толщина промежуточного слоя должна составлять сотни нанометров или даже микрометровОднако переходные межслои на границе алмаз/мед, такие как карбиды (TiC, ZrC, Cr3C2, и т.д.), имеют более низкую внутреннюю теплопроводность (< 25W/mK,нескольких порядков величины меньше алмаза или меди)С точки зрения улучшения эффективности теплораспределения интерфейса необходимо свести к минимуму толщину переходного сэндвича,поскольку согласно модели серии теплового сопротивления, теплопроводность интерфейса (G мед-алмаз) пропорциональна толщине сэндвича (d):

Относительно толстый переходный слой способствует улучшению силы связывания интерфейса диаманта/диамантного интерфейса,но чрезмерное тепловое сопротивление промежуточного слоя не способствует тепловой передаче на интерфейсПоэтому, 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.

Химическое состояние интерфейса определяет прочность связывания между гетерогенными материалами.Химические связи намного выше, чем силы ван дер Ваальса или водородные связиС другой стороны, дисбаланс теплового расширения между двумя сторонами интерфейса (где T относится к CTE и температуре,соответственно) является еще одним ключевым фактором в определении прочности сцепления между диамантами и медьюКак показано на рисунке (а) выше, коэффициент теплового расширения алмаза и меди явно отличается в порядке величины.

В целом несовпадение теплового расширения было ключевым фактором, влияющим на производительность многих композитов, поскольку плотность вывихов вокруг наполнителей значительно увеличивается во время охлаждения,особенно в металломатричных композитах, усиленных неметаллическими наполнителямиВ данной статье рассматриваются такие композиты, как AlN/Al, TiB2/Mg, SiC/Al и алмаз/мед.композит алмаз/медь получают при более высокой температуре, обычно более 900 °C в традиционных процессах. Очевидное несоответствие теплового расширения легко создает тепловое напряжение в состоянии тяги диамантово-медного интерфейса,что приводит к резкому снижению сцепления интерфейса и даже отказу интерфейса.

Другими словами, химическое состояние интерфейса определяет теоретический потенциал прочности связей между поверхностями,и тепловое несоответствие определяет степень снижения прочности связей между поверхностями после высокотемпературного приготовления композитного материалаСледовательно, окончательная связывающая сила интерфейса является результатом игры между двумя вышеперечисленными факторами.большинство современных исследований сосредоточены на улучшении силы связывания интерфейса путем корректировки химического состояния интерфейсаТем не менее, уменьшению прочности связей интерфейса, вызванного серьезным тепловым несоответствием, не уделялось достаточного внимания.

Конкретный эксперимент

Как показано на рисунке (а) ниже, процесс подготовки состоит из трех основных этапов.на поверхность алмазных частиц было отложено сверхтонкое Ти-покрытие номинальной толщиной 70 нм (модель: HHD90, сетка: 60/70, Henan Huanghe Cyclone Co., LTD., China) при 500°C методом осаждения радиочастотным магниторонным распыливанием.99%) используется в качестве титановой цели (источник)В процессе осаждения титанового покрытия толщина контролируется путем контроля времени осаждения.технология вращения подложки используется для подвержения всех поверхностей алмазных частиц атмосферу распыливания, а элемент Ti равномерно откладывается на всех поверхностных плоскостях алмазных частиц (в основном включая две стороны: (001) и (111)).В процессе влажного смешивания добавляется 10 wt% алкоголя, чтобы сделать частицы алмаза равномерно распределенными в матрице меди.Чистый медный порошок (чистота: 99,85wt%, размер частиц: 5 ~ 20μm, China Zhongnuo Advanced Material Technology Co., LTD.) и высококачественные однокристаллические алмазные частицы используются в качестве матрицы (55vol%) и арматуры (45vol%)Наконец, спирт из предварительно прессованного композита удаляется при высоком вакууме 10-4Pa,и затем медный и алмазный композит сгущают порошковой металлургией (свинцовое плазменное спекание), SPS).

(а) Схематическая схема процесса приготовления алмазных/медных композитов; (b) Различные процессы спекания в SPS порошковой металлургии

В процессе подготовки SPS мы инновационно предложили низкотемпературный процесс синтерации высокого давления (LTHP) и объединили его с модификацией интерфейса сверхтонкого покрытия (70 нм).Для уменьшения теплового сопротивления самого покрытияДля сравнения, мы также подготовили композиты, используя традиционный процесс высокотемпературного низкого давления (HTLP).Процесс синтерации HTLP - это традиционная формула, которая широко использовалась в ранее сообщавшихся работах по интеграции алмаза и меди в плотные композитыЭтот процесс HTLP обычно использует высокую температуру сфинтера > 900 °C (близкую к точке плавления меди) и низкое давление сфинтера ~ 50MPa. Однако в нашем предлагаемом процессе LTHP,Температура сфинтерации рассчитана на 600°CВ то же время, путем замены традиционной графитной формы на цементированную карбидную, давление на синтерирование может быть значительно увеличено до 300 МПа.Время сфинтерации двух вышеперечисленных процессов составляет 10 минут.В дополнительных материалах мы сделали дополнительное объяснение об оптимизации параметров процесса LTHP.Подробные экспериментальные параметры для различных процессов (LTHP и HTLP) показаны на рисунке (b) выше..

Заключение

Вышеупомянутые исследования направлены на преодоление этих проблем и выяснение механизмов улучшения теплопередачи алмазных/медных композитов.

1Была разработана новая интегрированная стратегия, объединяющая ультратонкую модификацию интерфейса с процессом синтерации LTHP.Полученный композит алмаз/медь достигает высокого значения k 763 W/mK и значения CTE менее 10ppm/KВ то же время более высокое значение k может быть получено при меньшей доле объема алмаза (45%, по сравнению с 50%-70% в традиционных процессах порошковой металлургии),что означает, что затраты могут быть значительно сокращены за счет сокращения содержания алмазных наполнителей.

2По предложенной стратегии тонкая структура интерфейса характеризуется слойной структурой алмаза /TiC/CuTi2/Cu, которая значительно уменьшает толщину межслоя перехода до ~ 100 нм.гораздо меньше, чем сотни нанометров или даже несколько микронов, которые использовались ранееОднако из-за уменьшения повреждения теплового напряжения во время процесса приготовления прочность межповерхностных связей все еще улучшается до уровня ковалентных связей.и энергия межповерхностной связи равна 3.661J/м2.

3Из-за сверхтонкой толщины, тщательно выполненный переходный сэндвич диамантово-медной интерфейс имеет низкое тепловое сопротивление.Результаты моделирования MD и Ab-initio показывают, что интерфейс алмаз/карбид титана имеет хорошее совпадение свойств фононов и отличную способность передачи тепла (G> 800 MW/m2K)Следовательно, два возможных узких места для теплопередачи больше не являются ограничительными факторами на границе алмаз/медь.

4Сила связей между поверхностями эффективно улучшается до уровня ковалентной связи.В результате достигается отличный баланс между двумя ключевыми факторами.Анализ показывает, что одновременное улучшение этих двух ключевых факторов является причиной отличной теплопроводности алмазных/медных композитов.