Materiali compositi diamanti/rame, che superano i limiti!

Con la continua miniaturizzazione, l'integrazione e le elevate prestazioni dei moderni dispositivi elettronici, inclusi i computer, i 5G/6G, le batterie, le tecnologie per l'informazione e l'informazione, la tecnologia per l'informazione, la tecnologia per l'informazione e la tecnologia per l'informazione, la tecnologia per l'informazione e la tecnologia per l'informazione, la tecnologia per l'informazione e la tecnologia per l'informazione, la tecnologia per l'informazione e la tecnologia per l'informazione, la tecnologia per l'informazione e la tecnologia per l'informazione, la tecnologia per l'informazione e la tecnologia per l'informazione, la tecnologia per l'informazione e la tecnologia per l'informazione, la tecnologia per l'informazione e la tecnologia per l'informazione.La densità di potenza crescente ha portato a forti riscaldamenti Joule e alte temperature all'interno dei dispositivi.La gestione termica efficiente è diventata un problema importante nei prodotti elettronici.L'integrazione di materiali di gestione termica avanzata su componenti elettronici può migliorare significativamente la loro capacità di dissipazione del calore.

I diamanti possiedono eccellenti proprietà termiche, presentando la più alta conduttività termica isotropa (k = 2300 W/mK) tra tutti i materiali sfusi,e hanno un coefficiente di espansione termica estremamente basso (CTE = 1 ppm/K) a temperatura ambiente. 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.

Tuttavia, ci sono notevoli disallineamenti tra diamante e rame in molti aspetti delle prestazioni, tra cui ma non limitato a CTE (con una differenza significativa di ordine di grandezza,come indicato nella figura a) e affinità chimica (non si mescolano e non subiscono reazioni chimiche), come illustrato nella figura b).

Queste discrepanze portano inevitabilmente alla bassa resistenza all'incollaggio intrinseca dei compositi di diamanti/rame durante i processi di fabbricazione o di integrazione ad alta temperatura,nonché elevato stress termico all'interfaccia diamante/rameDi conseguenza, i compositi di diamanti/rame sono soggetti a crepe all'interfaccia, che riducono significativamente la conduttività termica (quando il diamante e il rame sono direttamente legatiil loro valore k può essere molto inferiore a quello del rame puro, anche al di sotto di 200 W/mK).

Attualmente, il principale metodo di miglioramento consiste nella modifica chimica dell'interfaccia tra diamante e diamante mediante legazione di metalli o metallizzazione superficiale.Lo strato intermedio di transizione formato all'interfaccia può migliorare la resistenza del legame interfaccialeCome indicato nella letteratura, per ottenere un effetto di legame, è necessario utilizzare un strato intermedia relativamente più spessa per resistere alla crepa dell'interfaccia.lo spessore dello strato intermedio deve essere dell'ordine di centinaia di nanometri o addirittura di micrometriTuttavia, gli strati di transizione sull'interfaccia diamante/rame, come i carburi (ad esempio, TiC, ZrC, Cr3C2), presentano conducibilità termica intrinseca inferiore (< 25 W/mK),di diverse dimensioni inferiori a quelle del diamante o del rameDal punto di vista del miglioramento dell'efficienza del trasferimento di calore interfacciale, è essenziale ridurre al minimo lo spessore dello strato di transizione perché, secondo il modello di resistenza termica, il livello di calore è molto basso.la conduttività termica interfacciale (G_cu-diamond) è inversamente proporzionale allo spessore interstrato (d).

Mentre uno strato intermedio di transizione relativamente più spessa aiuta a migliorare la resistenza del legame interfacciale all'interfaccia diamante / diamante,l'eccessiva resistenza termica dello strato intermedio ostacola il trasferimento di calore attraverso l'interfacciaPertanto, 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.

Lo stato chimico dell'interfaccia determina la forza di legame tra materiali eterogenei.i legami chimici sono significativamente più forti delle forze di van der Waals o dei legami idrogenoD'altra parte,il disallineamento di espansione termica su entrambi i lati dell'interfaccia (dove T rappresenta CTE e temperatura) è un altro fattore critico che influenza la resistenza al legame dei compositi diamanti/rameCome illustrato nella figura (a), vi è una differenza significativa nell'ordine di grandezza dei coefficienti di espansione termica tra diamante e rame.

In generale,la disadeguatezza di espansione termica è sempre stata un fattore chiave che influenza le prestazioni di molti compositi perché la densità di dislocazione intorno al riempitore aumenta significativamente durante il raffreddamento, specialmente nei compositi a matrice metallica rinforzati con riempitivi non metallici, quali i compositi AlN/Al, i compositi TiB2/Mg, i compositi SiC/Al e i compositi diamanti/rame studiati nel presente documento.Inoltre, la temperatura di preparazione dei compositi diamanti/rame è relativamente elevata, in genere superiore a 900 °C nei processi convenzionali.Il significativo disallineamento di espansione termica può facilmente generare lo stress termico in uno stato di trazione all'interfaccia diamante/rame, con conseguente forte diminuzione dell'adesione interfacciale e persino insuccesso dell'interfaccia.

In altre parole, lo stato chimico dell'interfaccia determina il potenziale teorico per la resistenza del legame interfacciale,mentre il disallineamento termico determina l'entità della riduzione della resistenza di legame interfacciale dopo la fabbricazione del composito ad alta temperaturaPertanto, la resistenza finale del legame interfacciale è il risultato dell'interazione tra questi due fattori.la maggior parte degli studi attuali si concentrano sul miglioramento della resistenza del legame interfacciale regolando lo stato chimico dell'interfaccia, ad esempio attraverso il tipo, lo spessore e la morfologia dello strato intermedio di transizione.La riduzione della resistenza all'incollaggio dell'interfaccia dovuta a gravi disparità termiche all'interfaccia non ha ancora ricevuto sufficiente attenzione.

Il processo di preparazione, come illustrato nella figura (a), comprende tre fasi principali.una spessore nominale di 70 nm di un sottile rivestimento di titanio (Ti) viene depositato sulla superficie delle particelle di diamanti (modello: HHD90, dimensione maglia: 60/70, Huanghe Whirlwind Co., Ltd., Henan, Cina) utilizzando sputtering magnetron a radiofrequenza a 500 °C. Obiettivi in titanio ad alta purezza (purezza: 99.99%) sono utilizzati come materia primaIl gas di sputtering è costituito da una copertura di tiossido di sodio (Ti) e argon (purezza: 99,995%), il cui spessore viene controllato regolare il tempo di deposizione.è utilizzata una tecnica di rotazione del substrato, che consente di esporre tutte le superfici delle particelle di diamanti all'atmosfera di sputtering,assicurando che l'elemento Ti sia depositato uniformemente su tutti i piani superficiali delle particelle di diamante (compresi principalmente due tipi di facette): (001) e (111)).

In secondo luogo, durante il processo di miscelazione a umido, viene aggiunto un 10% di alcol per garantire una distribuzione uniforme delle particelle di diamante all'interno della matrice di rame.dimensione delle particelle: 5?? 20 μm, Zhongnuo Advanced Materials Technology Co., Ltd., Cina) e particelle di diamanti monocristallini di alta qualità sono utilizzate come matrice (55 vol%) e fase di rinforzo (45 vol%),rispettivamente.

Infine, l'alcol viene tolto dal materiale composito premuto in un vuoto elevato di 10^-4 Pa,e il materiale composito rame-diamante viene densificato utilizzando metodi di metallurgia a polvere (sinterizzazione plasmatica con scintilla), SPS).

Nel processo di preparazione SPS, abbiamo proposto in modo innovativo una tecnica di sinterizzazione ad alta pressione a bassa temperatura (LTHP), combinandola con una modifica dell'interfaccia sottile (70 nm).Per ridurre la resistenza termica introdotta dal rivestimento stesso, è stato utilizzato uno strato sottile di modifica dell'interfaccia (70 nm). Per confronto, abbiamo anche preparato i materiali compositi utilizzando il tradizionale processo di sinterizzazione ad alta temperatura a bassa pressione (HTLP).La tecnica di sinterizzazione HTLP è un metodo convenzionale ampiamente utilizzato in precedenti lavori per integrare diamanti e rame in materiali compositi densiQuesto processo HTLP utilizza in genere un'alta temperatura di sinterizzazione superiore a 900°C (vicina al punto di fusione del rame) e una bassa pressione di sinterizzazione di circa 50 MPa.la temperatura di sinterizzazione è fissata a 600°CIn questo modo, si è potuto realizzare un'operazione di produzione di metallo in grado di ridurre il tasso di fusione del rame, significativamente inferiore a quello del rame.la pressione di sinterizzazione può essere notevolmente aumentata fino a 300 MPaIl tempo di sinterizzazione per entrambi i processi è di 10 minuti.I parametri sperimentali per i diversi processi (LTHP e HTLP) sono illustrati nella figura b)..

Le conclusioni della ricerca di cui sopra mirano a superare queste sfide e a chiarire i meccanismi per migliorare le proprietà di trasporto termico dei compositi diamanti/rame:

1. È stata sviluppata una nuova strategia di integrazione che combina la modifica dell'interfaccia ultra-sottile con il processo di sinterizzazione LTHP.Il composto diamante/rame ottenuto ha raggiunto un elevato valore di conduttività termica (k) di 763 W/mK, con un coefficiente di espansione termica (CTE) inferiore a 10 ppm/K.un valore k elevato è stato ottenuto anche a una frazione di volume di diamanti inferiore (45% rispetto al 50%-70% tipico nei processi di metallurgia a polvere convenzionali), il che indica che i costi possono essere significativamente ridotti riducendo la quantità di riempimento a base di diamanti.

2. Attraverso la strategia proposta, la struttura di interfaccia raffinata è stata caratterizzata come una struttura a strati di diamante/TiC/CuTi2/Cu,che ha ridotto notevolmente lo spessore dello strato di transizione a circa 100 nmTuttavia, a causa della riduzione del danno da stress termico durante il processo di preparazione, la temperatura è molto più bassa rispetto alle diverse centinaia di nanometri o addirittura micrometri precedentemente utilizzati.la forza di legame tra le interfacce è stata ancora aumentata a livelli di legame covalente, con un'energia di legame di interfaccia di 3.661 J/m2.

3. A causa della sua natura ultra-sottile, lo strato di transizione di interfaccia diamante/rame attentamente realizzato presenta una bassa resistenza termica. 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)Pertanto, i due potenziali colli di bottiglia per il trasferimento termico non sono più fattori limitanti per l'interfaccia diamante/rame.

La forza di legame dell'interfaccia è effettivamente aumentata a livelli di legame covalente, tuttavia la capacità di trasferimento termico dell'interfaccia (G = 93,5 MW/m2K) è rimasta invariata,raggiungere un eccellente equilibrio tra questi due fattori criticiLe analisi suggeriscono che il miglioramento simultaneo di questi due fattori chiave è la ragione della conduttività termica superiore dei compositi diamanti/rame.

 

Soluzione della ZMSH

Wafer Cu monocristallino di substrato di rame 5x5x0.5/lmm 10x10x0.5/1mm 20x20x0.5/1mm a=3.607A

Al substrato monocristallino Purezza del substrato di alluminio 99/99% 5×5×1/0,5 mm 10×10×1/0,5 20x20x0,5/1 mm