Materiale composito di diamanti e rame, superate il limite!

Materiale composito di diamanti e rame, superate il limite!

Con la continua miniaturizzazione, integrazione e alte prestazioni dei moderni dispositivi elettronici, inclusi computer, 5G/6G, batterie e elettronica di potenza,l'aumento della densità di potenza porta a calore severo in joule e alte temperature nei canali del dispositivoL'efficienza della dissipazione del calore sta diventando un problema importante nei prodotti elettronici.l'integrazione di materiali avanzati per la gestione termica su dispositivi elettronici può migliorare significativamente le loro capacità di dissipazione del calore.

Il diamante ha eccellenti proprietà termiche, la più alta conduttività termica isotropica di tutti i materiali sfusi (k= 2300W/mK),e ha un coefficiente di espansione termica molto basso a temperatura ambiente (CTE=1ppm/K). i compositi in matrice di rame rinforzata con particelle di diamanti (diamanti/rame), come una nuova generazione di materiali per la gestione termica,sono stati oggetto di grande attenzione a causa del loro potenziale elevato valore di k e del loro CTE regolabile.

Tuttavia, ci sono significative discrepanze tra diamanti e rame in molte proprietà, tra cui ma non limitato a CTE (una chiara differenza di ordine di grandezza,come indicato nella figura a) e affinità chimica (senza soluzione solida), nessuna reazione chimica, come indicato nella figura (b)).

Differenze significative di prestazioni tra rame e diamante (a) coefficiente di espansione termica (CTE) e (b) diagramma di fase

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 compositesDi conseguenza, i compositi diamante/rame incontreranno inevitabilmente problemi di crepazione delle interfacce e la conduttività termica sarà notevolmente ridotta (quando diamante e rame sono direttamente combinati, la loro capacità di scaricare il calore è molto più elevata).il suo valore k è anche molto inferiore a quello del rame puro (< 200W/mK).

Attualmente, il principale metodo di miglioramento è quello di modificare chimicamente l'interfaccia diamante/diamante mediante legazione di metalli o metallizzazione superficiale.Lo strato di transizione formato sull'interfaccia migliorerà la forza di legame dell'interfaccia, e lo strato intermedio relativamente spesso è più favorevole a resistere alla crepa dell'interfaccia.lo spessore dello strato intermedio deve essere di centinaia di nanometri o addirittura micrometriTuttavia, gli strati di transizione sull'interfaccia diamante/rame, quali i carburi (TiC, ZrC, Cr3C2, ecc.), hanno una conducibilità termica intrinseca inferiore (< 25 W/mK,diversi ordini di grandezza inferiori al diamante o al rame). dal punto di vista del miglioramento dell'efficienza di dissipazione del calore dell'interfaccia, è necessario ridurre al minimo lo spessore del sandwich di transizione,perché secondo il modello della serie di resistenza termica, la conduttività termica dell'interfaccia (G rame-diamante) è inversamente proporzionale allo spessore del panino (d):

Lo strato intermedio di transizione relativamente spessa favorisce il miglioramento della forza di legame dell'interfaccia diamante/diamante,ma l'eccessiva resistenza termica dello strato intermedio non favorisce il trasferimento di calore all'interfacciaPertanto, 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.

Lo stato chimico dell'interfaccia determina la forza di legame tra materiali eterogenei.i legami chimici sono molto più elevati delle forze di van der Waals o dei legami idrogenoD'altra parte, la disadattamento di espansione termica tra i due lati dell'interfaccia (dove T si riferisce a CTE e temperatura,L'analisi delle forze di fusione è stata effettuata nel corso di un periodo di tre anni, con un'analisi delle forze di fusione delle forze di fusione.Come illustrato nella figura (a), il coefficiente di espansione termica del diamante e del rame è nettamente diverso in ordine di grandezza.

In generale, le disparità di espansione termica sono state un fattore chiave che influisce sulle prestazioni di molti materiali compositi, poiché la densità delle dislocazioni attorno ai riempitivi aumenta significativamente durante il raffreddamento,specialmente nei compositi a matrice metallica rinforzati con riempitivi non metallici- come i compositi AlN/Al, i compositi TiB2/Mg, i compositi SiC/Al e i compositi diamanti/rame studiati nel presente documento.il composito diamante/rame è preparato a una temperatura superiore, generalmente superiore a 900 °C nei processi tradizionali. L'ovvia disadattamento di espansione termica è facile da generare lo stress termico nello stato di trazione dell'interfaccia diamante/rame,risultante in un netto declino dell'adesione dell'interfaccia e persino in un guasto dell'interfaccia.

In altre parole, lo stato chimico dell'interfaccia determina il potenziale teorico della forza del legame interfacciale,e il disallineamento termico determina il grado di diminuzione della resistenza del legame interfacciale dopo la preparazione ad alta temperatura del materiale compositoPertanto, la forza di legame dell'interfaccia finale è il risultato del gioco tra i due fattori di cui sopra.la maggior parte degli studi attuali si concentrano sul miglioramento della resistenza di legame dell'interfaccia regolando lo stato chimico dell'interfacciaTuttavia, non è stata prestata sufficiente attenzione alla diminuzione della resistenza del legame di interfaccia causata da gravi disallineamenti termici.

Esperimento concreto

Come illustrato nella figura a), il processo di preparazione consiste in tre fasi principali.La superficie delle particelle di diamanti è stata rivestita da un rivestimento di Ti ultra sottile con uno spessore nominale di 70 nm (modello: HHD90, maglia: 60/70, Henan Huanghe Cyclone Co., LTD., Cina) a 500°C con metodo di deposizione da sputtering a magnetroni RF. La piastra di titanio ad alta purezza (purezza: 99.99%) viene utilizzato come bersaglio di titanio (materiale di origine)In questo caso, il gas di sputtering è costituito da argon (purezza: 99,995%), il cui spessore è controllato dal tempo di deposizione.la tecnologia di rotazione del substrato viene utilizzata per esporre tutte le facce delle particelle di diamante all'atmosfera di sputtering, e l'elemento Ti è depositato uniformemente su tutti i piani superficiali delle particelle di diamante (principalmente due facce: (001) e (111)).10 wt% di alcol viene aggiunto nel processo di miscelazione umida per rendere le particelle di diamante uniformemente distribuite nella matrice di rame. Polvere di rame puro (purezza: 99,85wt%, dimensione delle particelle: 5 ~ 20μm, China Zhongnuo Advanced Material Technology Co., LTD.) e particelle di diamanti monocristallini di alta qualità sono utilizzate come matrice (55 vol%) e rinforzo (45 vol%)Infine, l'alcol nel composito prepresso viene rimosso con un vuoto elevato di 10-4 Pa,e poi il composto di rame e diamanti viene densificato mediante metallurgia a polvere (sinterizzazione a plasma da scintilla), SPS).

b) Diversi processi di sinterizzazione nella preparazione della metallurgia a polvere SPS

Nel processo di preparazione SPS, abbiamo proposto in modo innovativo un processo di sinterizzazione ad alta pressione a bassa temperatura (LTHP) e lo abbiamo combinato con la modifica dell'interfaccia di un rivestimento ultra-sottile (70 nm).Per ridurre l'introduzione di resistenza termica del rivestimento stessoPer il confronto, abbiamo anche preparato i compositi utilizzando il tradizionale processo di sinterizzazione ad alta temperatura a bassa pressione (HTLP).Il processo di sinterizzazione HTLP è una formulazione tradizionale che è stata ampiamente utilizzata nei lavori precedentemente riportati per integrare diamanti e rame in materiali compositi densiQuesto processo HTLP utilizza in genere un'alta temperatura di sinterizzazione di > 900°C (vicina al punto di fusione del rame) e una bassa pressione di sinterizzazione di ~ 50MPa.la temperatura di sinterizzazione è progettata per 600°CAllo stesso tempo, sostituendo lo stampo tradizionale in grafite con uno in carburo cementato, la pressione di sinterizzazione può essere notevolmente aumentata fino a 300 MPa.Il tempo di sinterizzazione di questi due processi è di 10 minuti.Nei materiali supplementari abbiamo fornito una spiegazione supplementare sull'ottimizzazione dei parametri di processo LTHP.I parametri sperimentali dettagliati per i diversi processi (LTHP e HTLP) sono illustrati nella figura (b) sopra..

Conclusioni

La ricerca di cui sopra mira a superare queste sfide e a chiarire i meccanismi per migliorare le prestazioni di trasferimento termico dei compositi diamanti/rame.

1Una nuova strategia integrata è stata sviluppata per combinare la modifica dell'interfaccia ultra-sottile con il processo di sinterizzazione LTHP.Il composto diamante/rame ottenuto raggiunge un valore k elevato di 763 W/mK e un valore CTE inferiore a 10 ppm/KAllo stesso tempo, un valore k più elevato può essere ottenuto a una frazione di volume di diamanti inferiore (45%, rispetto al 50%-70% nei processi tradizionali di metallurgia a polvere),Ciò significa che i costi possono essere significativamente ridotti riducendo il contenuto di riempitivi a base di diamanti..

2La strategia proposta consente di caratterizzare la struttura dell'interfaccia fine come una struttura stratificata in diamanti /TiC/CuTi2/Cu, che riduce notevolmente lo spessore dell'interstrato di transizione a ~ 100 nm.molto meno delle centinaia di nanometri o anche di pochi micron precedentemente utilizzatiTuttavia, a causa della riduzione del danno da stress termico durante il processo di preparazione, la resistenza del legame interfacciale è ancora migliorata al livello del legame covalente,e l'energia di legame interfacciale è 3.661J/m2.

3A causa dello spessore ultra-sottile, il sandwich di transizione di interfaccia diamante / rame accuratamente realizzato ha una bassa resistenza termica.I risultati della simulazione MD e Ab-initio mostrano che l'interfaccia diamante/carburo di titanio ha una buona corrispondenza delle proprietà fononiche e un'eccellente capacità di trasferimento di calore (G> 800MW/m2K)Pertanto, i due possibili colli di bottiglia del trasferimento di calore non sono più i fattori limitanti all'interfaccia diamante/rame.

4La resistenza del legame interfacciale è effettivamente migliorata al livello del legame covalente, tuttavia la capacità di trasferimento di calore interfacciale (G= 93,5 MW/m2K) non è stata influenzata.Il risultato è un eccellente equilibrio tra i due fattori chiaveL'analisi mostra che il miglioramento simultaneo di questi due fattori chiave è la ragione dell'eccellente conduttività termica dei compositi diamanti/rame.