Diamant/koper composiet materiaal, breek de limiet!
Met de voortdurende miniaturisatie, integratie en hoge prestaties van moderne elektronische apparaten, inclusief computing, 5G/6G, batterijen en power electronics,de toenemende vermogendichtheid leidt tot zware joule hitte en hoge temperaturen in de apparaatkanalenHet gebruik van de elektronica is een belangrijke factor in de verbetering van de kwaliteit van de elektronica, maar ook in de verbetering van de kwaliteit van het gebruik.de integratie van geavanceerde materialen voor thermisch beheer op elektronische apparaten kan hun warmteafvoervermogen aanzienlijk verbeteren.
Diamant heeft uitstekende thermische eigenschappen, de hoogste isotrope thermische geleidbaarheid van alle bulkmaterialen (k= 2300W/mK),en heeft een zeer lage coëfficiënt van thermische uitbreiding bij kamertemperatuur (CTE=1ppm/K). met diamantdeeltjes versterkte kopermatrixcomposites (diamant/koper), als een nieuwe generatie warmtebeheermiddelen,zijn veel aandacht gekregen vanwege hun potentiële hoge k-waarde en verstelbare CTE..
Er zijn echter aanzienlijke verschillen tussen diamant en koper in veel eigenschappen, waaronder maar niet beperkt tot CTE (een duidelijk verschil in grootte,zoals weergegeven in figuur a) en chemische affiniteit (geen vaste oplossing), geen chemische reactie, zoals weergegeven in figuur b).
Betekenisvolle prestatieverschillen tussen koper en diamant (a) coëfficiënt van thermische uitbreiding (CTE) en (b) fasediagram
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 compositesAls gevolg hiervan zullen diamanten/kopercomposites onvermijdelijk problemen ondervinden met scheuren aan de interface, en zal de warmtegeleidbaarheid sterk worden verminderd (wanneer diamant en koper rechtstreeks worden gecombineerd, zal de thermische geleidbaarheid aanzienlijk verminderen).de k-waarde is zelfs veel lager dan dat van puur koper (< 200 W/mK)).
Momenteel is de belangrijkste verbeteringstechnische methode het chemisch aanpassen van de diamanten-diamanten-interface door middel van metaallegering of oppervlakte-metallisatie.De overgangslaag gevormd op de interface zal de interface binding kracht te verbeteren, en de relatief dikke tussenlaag is gunstiger voor het weerstaan van het kraken van de interface.de dikte van de tussenlaag moet honderden nanometers of zelfs micrometers zijn. overgangslagen op de diamant/koper-interface, zoals carbiden (TiC, ZrC, Cr3C2, enz.), hebben echter een lagere intrinsieke thermische geleidbaarheid (< 25 W/mK,met een gewicht van meer dan 1 kg. Uit het oogpunt van het verbeteren van de efficiëntie van de warmteafvoer van de interface, is het noodzakelijk om de dikte van de transitie sandwich te minimaliseren,omdat volgens het model van de thermische weerstand serie, is de thermische geleidbaarheid van de interface (G koper-diamant) omgekeerd evenredig met de dikte van de sandwich (d):
De relatief dikke overgangslaag is gunstig voor het verbeteren van de verbindingskracht van de interface tussen diamant en diamant,maar de overmatige thermische weerstand van de tussenlaag is niet bevorderlijk voor de warmteoverdracht van de interfaceDaarom, 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.
De chemische toestand van de interface bepaalt de bindsterkte tussen heterogene materialen.chemische bindingen zijn veel hoger dan van der Waals krachten of waterstof bindingenAan de andere kant is de thermische uitbreidingsmismatch tussen de twee zijden van de interface (waar T verwijst naar CTE en temperatuur,(respectievelijk) is een andere belangrijke factor bij het bepalen van de verbindingssterkte van diamanten/kopercompositesZoals in figuur a hierboven is aangetoond, verschilt de koëfficiënt van thermische uitbreiding van diamant en koper duidelijk in grootte.
In het algemeen zijn thermische uitbreidingsverschillen een belangrijke factor geweest die van invloed is op de prestaties van veel composieten, aangezien de dichtheid van verplaatsingen rond de vulstoffen tijdens het afkoelen aanzienlijk toeneemt,met name in metalen matrixcomposites versterkt met niet-metalen vulstoffen. zoals AlN/Al-composites, TiB2/Mg-composites, SiC/Al-composites en diamant/kopercomposites die in dit artikel worden bestudeerd.het diamant/kopercomposit wordt bij een hogere temperatuur bereidDe voor de hand liggende thermische uitbreidingsverschil veroorzaakt gemakkelijk thermische spanning in de trektoestand van de diamant/koperinterface.wat resulteert in een sterke afname van de aansluiting van de interface en zelfs een interfacefout.
Met andere woorden, de chemische toestand van het interfacesysteem bepaalt het theoretische potentieel van de bindsterkte van het interfacesysteem.en de thermische mismatch bepaalt de mate van afname van de interfaciale bindsterkte na de hoge temperatuurbereiding van het composietmateriaalDaarom is de uiteindelijke verbindende kracht van de interface het resultaat van het spel tussen de bovenstaande twee factoren.De meeste huidige studies richten zich op het verbeteren van de bindsterkte van de interface door de chemische toestand van de interface aan te passenHet is echter onvoldoende aandacht besteed aan de afname van de verbindingssterkte van de interfaces die wordt veroorzaakt door ernstige thermische mismatches.
Concrete proef
Zoals in figuur a hieronder wordt weergegeven, bestaat het voorbereidingsproces uit drie hoofdfasen.een ultradunne Ti-coating met een nominale dikte van 70 nm werd afgezet op het oppervlak van de diamantdeeltjes (modelHHD90, mesh: 60/70, Henan Huanghe Cyclone Co., LTD., China) bij 500°C door RF magnetron sputtering.99%) wordt gebruikt als titaniumdoel (bronmateriaal)De dikte van de titaniumcoating wordt gecontroleerd door de afzettingstijd te controleren.de substraatrotatietechnologie wordt gebruikt om alle gezichten van de diamantdeeltjes bloot te stellen aan de sputteringatmosfeerHet element Ti is gelijkmatig afgezet op alle oppervlaktevlakken van de diamantdeeltjes (met name twee facetten: (001) en (111)).10 wt% alcohol wordt toegevoegd in het natte mengproces om de diamantdeeltjes gelijkmatig in de kopermatrix te verdelen. Puur koperpoeder (zuiverheid: 99,85 wt%, deeltjesgrootte: 5 ~ 20 μm, China Zhongnuo Advanced Material Technology Co., LTD.) en hoogwaardige enkelkristallijnde diamantdeeltjes worden gebruikt als matrix (55vol%) en versterking (45vol%).Ten slotte wordt de alcohol in het gepresseerde composiet met een hoog vacuüm van 10-4 Pa verwijderd.en vervolgens wordt het koper- en diamantcomposite verdicht met behulp van poedermetallurgie (spark plasma sintering), SPS).
(a) Schematisch schema van het bereidingsproces van diamant/kopercomposites; (b) Verschillende sinterprocessen in de SPS-poedermetallurgische bereiding
In het SPS-voorbereidingsproces hebben wij op innovatieve wijze een laagtemperatuur-hochdruk-sinterproces (LTHP) voorgesteld en dit gecombineerd met de interfacemodificatie van een ultradunne coating (70 nm).Om de thermische weerstand van de coating zelf te verminderenVoor vergelijking hebben we de composieten ook bereid met behulp van het traditionele hoge temperatuur lage druk sinterproces (HTLP).Het HTLP-sinterproces is een traditionele formulering die in eerder gerapporteerde werkzaamheden op grote schaal is gebruikt om diamant en koper in dichte composieten te integrerenDit HTLP-proces maakt meestal gebruik van een hoge sintertemperatuur van > 900°C (nabij het smeltpunt van koper) en een lage sinterdruk van ~ 50MPa.de sintertemperatuur is ontworpen tot 600°CIn de eerste plaats is het mogelijk om de splijtdruk te verhogen tot 300 MPa door de traditionele grafietvorm te vervangen door een gecementiseerde carbidevorm.De sintertijd van de bovenstaande twee processen is 10 minuten.In de aanvullende materialen hebben wij een aanvullende uitleg gegeven over de optimalisatie van LTHP-procesparameters.Gedetailleerde experimentele parameters voor verschillende processen (LTHP en HTLP) worden weergegeven in figuur b)..
Conclusies
Het bovenstaande onderzoek heeft tot doel deze uitdagingen te overwinnen en de mechanismen voor het verbeteren van de warmteoverdracht van diamant/kopercomposites te verduidelijken.
1Een nieuwe geïntegreerde strategie werd ontwikkeld om ultradunne interfacemodificatie te combineren met LTHP-sinterproces.Het verkregen diamant/kopercomposite bereikt een hoge k-waarde van 763 W/mK en een CTE-waarde van minder dan 10 ppm/KTegelijkertijd kan een hogere k-waarde worden verkregen bij een lagere diamantenvolumefractie (45%, vergeleken met 50%-70% bij traditionele poedermetallurgische processen).Dit betekent dat de kosten aanzienlijk kunnen worden verlaagd door het gehalte aan diamantenvullers te verminderen..
2Door middel van de voorgestelde strategie wordt de fijne interfacestructuur gekenmerkt door een diamanten /TiC/CuTi2/Cu gelaagde structuur, die de overgangsspanning tot ~ 100 nm aanzienlijk vermindert.veel minder dan de honderden nanometers of zelfs een paar micron die eerder werden gebruiktDoor de vermindering van de thermische spanningsschade tijdens het bereidingsproces is de sterkte van de interfaciale binding echter nog steeds verbeterd tot het niveau van de covalente binding.en de verbindingsenergie tussen de oppervlakken is 3.661J/m2.
3Door de ultra dunne dikte heeft de zorgvuldig gemaakte transitie sandwich van de diamant/koper interface een lage thermische weerstand.De resultaten van de MD- en Ab-initio-simulatie tonen aan dat de diamanten/titaniumcarbide-interface een goede matching van de fononen eigenschappen en een uitstekende warmteoverdracht heeft (G> 800MW/m2K)Daarom zijn de twee mogelijke knelpunten bij de warmteoverdracht niet langer de beperkende factoren op de diamanten/koperinterface.
4De verbindingssterkte van de interfaces wordt effectief verbeterd tot het niveau van de covalente binding.Het resultaat is een uitstekend evenwicht tussen de twee belangrijkste factorenDe analyse toont aan dat de gelijktijdige verbetering van deze twee belangrijke factoren de reden is voor de uitstekende thermische geleidbaarheid van diamant/kopercomposites.
