Materiali compositi di diamanti/rame (Cu) per elevate conduttività termica e applicazioni a prestazioni meccaniche migliorate

Materiali compositi di diamanti/rame (Cu) per elevate conduttività termica e applicazioni a prestazioni meccaniche migliorate

Dal 1980, il livello di integrazione dei circuiti all'interno dei componenti elettronici è aumentato a un ritmo di 1,5 volte o addirittura più veloce ogni anno.Con l'aumentare del livello di integrazione dei circuiti integrati, la corrente aumenta di conseguenza, generando più calore durante il funzionamento.può causare danni termici ai componenti elettronici e ridurne la durata di vitaPertanto, per soddisfare le crescenti esigenze di dissipazione del calore dei componenti elettronici, i materiali di imballaggio elettronici con elevata conduttività termica sono stati continuamente ricercati e ottimizzati.

I metalli puri come Cu, Ag e Al hanno un'elevata conducibilità termica ma tassi di espansione termica eccessivamente elevati.per garantire il normale funzionamento dei componenti elettronici e prolungare la loro durata, è urgente sviluppare nuovi materiali di imballaggio con elevata conduttività termica e adeguati coefficienti di espansione termica.con una durezza di Mohs di 10, ed è anche uno dei materiali naturali con la più alta conduttività termica, che raggiunge i 200-2200 W/(m·K).i materiali compositi di diamanti/rame con cui il rame è la matrice e il diamante il rinforzo sono ampiamente considerati i materiali di imballaggio elettronico di alta conduttività termica più diffusi del futuro;.

Il composito diamante/rame è un materiale composito ad alte prestazioni composto da diamanti

I metodi di preparazione comuni per i compositi di diamanti/rame includono: metallurgia a polvere, alta temperatura e alta pressione, infiltrazione della fusione, sinterizzazione con plasma a scintilla, spruzzatura a freddo e altri.

(1) Metallurgia delle polveri

mescolare le particelle di diamanti conDurante il processo di miscelazione, può essere aggiunta una certa quantità di legante e di agenti di formazione.la sinterizzazione è effettuata per ottenere compositi di diamanti/Cu ad alta conduttività termicaLa metallurgia a polvere è un processo semplice con costi relativamente bassi ed è una tecnica di sinterizzazione relativamente matura.In aggiunta, i campioni preparati tendono ad essere di dimensioni limitate e di forma semplice, rendendo difficile il raggiungimento diretto di materiali di conduzione termica superiore.

(2) Alta temperatura e alta pressione

(3) Infiltrazione della fusione

(4) Sinterizzazione del plasma a scintilla (SPS)

(5) Spruzzatura a freddo

La deposizione a spruzzo freddo consiste nel collocare due polveri miste in una camera di forno, dove dopo la fusione del metallo e l'atomizzazione del metallo liquido,le particelle vengono spruzzate e depositate su una piastra di substrato per ottenere il materiale composito.

Le strategie utilizzate per affrontare i problemi di interfaccia tra il diamante e la matrice Cu

Per la fabbricazione di materiali compositi, la reciproca bagnabilità tra i componenti è un prerequisito necessario per una buona composizione,e svolge un ruolo cruciale nel determinare la struttura dell'interfaccia e lo stato di legameLa scarsa bagnabilità tra diamante e rame porta ad una elevata resistenza termica interfacciale.che è fondamentale per migliorare le prestazioni dei compositi.

Attualmente sono impiegate due strategie principali per affrontare i problemi di interfaccia tra il diamante e la matrice Cu:

Modifica della superficie del diamante
Il rivestimento della superficie delle particelle di diamante con elementi attivi quali Mo, Ti, W o Cr può migliorare significativamente le caratteristiche interfacciali.questi elementi reagiscono con il carbonio sulla superficie del diamante per formare uno strato di transizione di carburoInoltre, tali rivestimenti possono proteggere la struttura del diamante dalla degradazione a temperature elevate.

Legatura della matrice di rame

Prima della lavorazione dei compositi, la matrice di rame può essere pre-legata con elementi attivi.L'introduzione di elementi attivi nella matrice di rame riduce efficacemente l'angolo di contatto tra diamante e rame e favorisce la formazione di uno strato di carburo all'interfaccia diamante/CuQuesti carburi, che possono essere parzialmente solubili nella matrice di rame, aiutano a riempire i vuoti interfacciali e migliorano significativamente le prestazioni termiche.

Paesaggio del mercato e tendenze di sviluppo

Struttura del mercato

Leadership internazionale:
I mercati di fascia alta sono dominati da attori internazionali quali AMETEK (USA) e Sumitomo Electric (Giappone), che servono principalmente i settori militare e aerospaziale.Heraeus (Germania) e Toho Titanium (Giappone) si concentrano sui substrati per la gestione termica dell'elettronica di consumo.

Progresso della produzione nazionale:
I produttori cinesi (ad esempio, l'Istituto di ricerca sui metalli, l'Accademia cinese delle scienze;Hunan Dingli Technology) hanno realizzato la produzione di massa di substrati compositi di diamanti/Cu da 6 pollici tramite metodi di metallurgia a polvereEntro il 2023, le aziende cinesi hanno conquistato il 25% della quota di mercato nazionale.

Dimensione del mercato

Secondo una previsione di QY Research, si prevede che il mercato globale dei compositi di diamanti/Cu raggiungerà 1,2 miliardi di USD entro il 2025, con un tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 18%.Si prevede che la regione Asia-Pacifico rappresenti oltre il 50% della domanda mondiale.

Nel settore delle comunicazioni 5G, la domanda di moduli di gestione termica delle stazioni base dovrebbe determinare un aumento del 300% del consumo di materiali compositi entro il 2024.

Tendenze future

Avanzi nelle tecnologie dei diamanti sintetici:
Si prevede che il costo dei diamanti a deposizione chimica a vapore (CVD) scenderà a un decimo dei livelli attuali entro il prossimo decennio.

Applicazioni di integrazione eterogenea:
Sviluppo di pellicole termiche ultrafini e flessibili mediante la combinazione di diamanti con materiali bidimensionali come il grafene e il nitruro di boro.

Gestione termica intelligente:
Integrazione di sensori di temperatura nei substrati di diamanti/Cu per consentire il monitoraggio della distribuzione termica in tempo reale e la regolazione termica dinamica.

Sfide e direzioni future della ricerca

Conclusioni tecniche

Difficoltà nel raggiungere simultaneamente una bassa resistenza termica interfacciale e un elevato rendimento di produzione di massa, limitando la penetrazione dei compositi diamanti/Cu nei mercati dell'elettronica di consumo.

Problemi persistenti con l'ossidazione dell'interfaccia e la diffusione elementare durante il servizio a alta temperatura a lungo termine.

Direzioni della ricerca

Disegno di interfaccia biomimetica:
Sulla base di strutture stratificate nella natura (ad esempio, nacre), vengono esplorate strategie di distribuzione di rinforzo su scala multipla per ottimizzare le prestazioni di accoppiamento termo-meccanico.

Processi di produzione ecologici:
Sviluppo di processi ecologici quali la galvanoplastica senza cianuro e la sinterizzazione a bassa temperatura per ridurre le emissioni di carbonio.

Composti ad altissima temperatura:
Investigazione del potenziale di applicazione dei compositi di diamanti/Cu in ambienti superiori a 1000°C.

Conclusioni

Grazie alla loro impareggiabile conduttività termica e ai loro vantaggi meccanici,i compositi di diamanti/Cu stanno diventando materiali chiave per dispositivi elettronici ad alta densità di potenza e applicazioni in condizioni estremeNonostante le sfide di ottimizzazione dell'interfaccia e riduzione dei costi,I progressi in corso nelle tecniche sintetiche e la maturazione graduale della catena industriale stanno aprendo la strada a un'adozione più ampia.

In futuro, attraverso innovazioni interdisciplinari che combinano la scienza dei materiali, la nanotecnologia, la tecnologia e la tecnologia dei materiali, la tecnologia dei materiali e la tecnologia dei nanotecnologie dell'intelligenza artificiale, i compositi diamante/Cu dovrebbero guidare i dispositivi elettronici verso prestazioni più elevateInoltre, questi materiali svolgeranno un ruolo fondamentale nel miglioramento dell'efficienza energetica globale e nel sostegno di iniziative di neutralità del carbonio.

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