Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoffe durchbrechen Grenzen!

Mit der kontinuierlichen Miniaturisierung, Integration und hohen Leistungsfähigkeit moderner elektronischer Geräte, einschließlich Computer, 5G/6G, Batterien,Die zunehmende Leistungsdichte hat zu starken Joule-Erwärmungen und hohen Temperaturen innerhalb der Geräte geführt.Dies führt zu einer Leistungsabnahme und Geräteversagen.Die Integration fortschrittlicher Wärmemanagementmaterialien in elektronische Komponenten kann ihre Wärmeabsorptionsfähigkeit erheblich verbessern.

Diamanten besitzen ausgezeichnete thermische Eigenschaften und zeigen die höchste isotrope Wärmeleitfähigkeit (k = 2300 W/mK) aller Schüttgutmaterialien.und haben einen extrem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE = 1 ppm/K) bei Raumtemperatur. 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.

Allerdings gibt es in vielen Leistungsaspekten bemerkenswerte Abweichungen zwischen Diamant und Kupfer, einschließlich, aber nicht beschränkt auf CTE (mit einem signifikanten Unterschied in der Größenordnung,wie in Abbildung a) gezeigt) und chemische Affinität (sie sind unmischbar und unterliegen keiner chemischen Reaktion), wie in Abbildung (b) dargestellt).

Diese Abweichungen führen zwangsläufig zu einer niedrigen Bindfestigkeit der Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoffe während der Hochtemperatur-Fertigungs- oder Integrationsprozesse.sowie hohe thermische Belastung an der Diamant-Kupfer-SchnittstelleDie Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoffe sind daher anfällig für Spaltungen an den Schnittstellen, was die Wärmeleitfähigkeit erheblich verringert (wenn Diamant und Kupfer direkt verbunden sind, ist die Wärmeleitfähigkeit des Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoffes erheblich reduziert).Der k-Wert kann viel niedriger sein als der von reinem Kupfer, auch unter 200 W/mK).

Derzeit besteht die Hauptverbesserungsmethode in der chemischen Modifikation der Diamant-Diamant-Schnittstelle durch Metalllegierung oder Oberflächenmetallisierung.Die an der Schnittstelle gebildete Übergangsschicht kann die Bindungsfestigkeit der Schnittstelle erhöhen, und eine relativ dickere Zwischenschicht ist vorteilhafter bei der Widerstandsfähigkeit gegen Schnittstellencracking.die Dicke der Zwischenschicht muss in der Größenordnung von Hunderten von Nanometern oder sogar Mikrometern liegenDie Übergangsschichten an der Diamant/Kupfer-Schnittstelle, wie z. B. Karbid (z. B. TiC, ZrC, Cr3C2), weisen jedoch eine geringere thermische Eigenleitfähigkeit auf (< 25 W/mK).mit einer Dicke von mehreren Größenordnungen kleiner als Diamant oder KupferAus Sicht der Verbesserung der Wärmeübertragungseffizienz der Oberfläche ist es wichtig, die Dicke der Übergangsschicht zu minimieren, da nach dem Wärmeresistenzmodelldie Wärmeleitfähigkeit der Oberfläche (G_cu-Diamant) ist umgekehrt proportional zur Zwischenschichtdicke (d).

Während eine relativ dickere Übergangsschicht hilft, die Bindungsfestigkeit an der Diamant-Diamant-Schnittstelle zu verbessern,die übermäßige Wärmebeständigkeit der Zwischenschicht behindert die Wärmeübertragung über die SchnittstelleDaher 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.

Der chemische Zustand der Schnittstelle bestimmt die Bindungsfestigkeit zwischen heterogenen Materialien.Chemische Bindungen sind deutlich stärker als Van der Waals-Kräfte oder WasserstoffbindungenAuf der anderen SeiteDer thermische Ausdehnungsausfall auf beiden Seiten der Schnittstelle (wo T CTE und Temperatur darstellt) ist ein weiterer kritischer Faktor, der die Bindfestigkeit der Diamant-Kupferverbundwerkstoffe beeinflusst.Wie in Abbildung a gezeigt, gibt es einen signifikanten Unterschied in der Größenordnung der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Diamant und Kupfer.

Im allgemeinen,Die thermische Ausdehnung ist seit jeher ein Schlüsselfaktor, der die Leistung vieler Verbundwerkstoffe beeinflusst, da sich die Verlagerungsdichte um den Füllstoff während der Kühlung deutlich erhöht., insbesondere bei mit nichtmetallischen Füllstoffen verstärkten Metallmatrix-Verbundwerkstoffen, wie AlN/Al-Verbundwerkstoffen, TiB2/Mg-Verbundwerkstoffen, SiC/Al-Verbundwerkstoffen und den in dieser Arbeit untersuchten Diamant/Kupferverbundwerkstoffen.Darüber hinaus ist die Zubereitungstemperatur von Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoffen relativ hoch und übersteigt in konventionellen Verfahren typischerweise 900 °C.Die erhebliche thermische Ausdehnungsschwankung kann leicht thermische Spannungen in einem Zugzustand an der Diamant-Kupfer-Schnittstelle erzeugen, was zu einem starken Rückgang der Schnittstellenhaftung und sogar zu Schnittstellenfehlern führt.

Mit anderen Worten, der chemische Zustand der Schnittstelle bestimmt das theoretische Potenzial für die Bindungsfestigkeit der Schnittstelle.Während thermische Mismatch diktiert das Ausmaß der Verringerung der Bindungsfestigkeit der Oberfläche nach der Hochtemperaturverarbeitung von VerbundwerkstoffenDaher ist die endgültige Bindungsfestigkeit der Oberfläche das Ergebnis des Zusammenspiels dieser beiden Faktoren.Die meisten aktuellen Studien konzentrieren sich auf die Verbesserung der Bindungsfestigkeit der Oberfläche durch Anpassung des chemischen Zustands der Oberfläche, wie z. B. durch die Art, Dicke und Morphologie der Übergangsschicht.Die Verringerung der Bindungsfestigkeit an der Oberfläche aufgrund schwerer thermischer Abweichungen an der Oberfläche hat noch nicht genügend Aufmerksamkeit erhalten.

Der Vorbereitungsprozess umfaßt, wie in Abbildung (a) dargestellt, drei Hauptphasen.auf der Oberfläche der Diamantpartikel eine dünne Titanschicht mit einer Nenndicke von 70 nm abgelagert wird (Modell: HHD90, Maschengröße: 60/70, Huanghe Whirlwind Co., Ltd., Henan, China) unter Verwendung von Radiofrequenz-Magnetron-Sputtern bei 500 °C. Hochreine Titangehalt (Reinheit: 99.99%) als Ausgangsmaterial verwendet werdenDie Dichte der Ti-Beschichtung wird durch Anpassung der Ablagerungszeit gesteuert.eine Substrat-Rotationstechnik verwendet wird, so dass alle Oberflächen der Diamantpartikel der Sputteratmosphäre ausgesetzt werden,Sicherstellung der gleichmäßigen Ablagerung des Ti-Elements auf allen Oberflächenflächen der Diamantpartikel (hauptsächlich zwei Arten von Facetten): (001) und (111)).

Zweitens wird während des nassen Mischvorgangs 10% Alkohol zugesetzt, um eine gleichmäßige Verteilung der Diamantpartikel innerhalb der Kupfermatrix zu gewährleisten.Partikelgröße: 5 ‰ 20 μm, Zhongnuo Advanced Materials Technology Co., Ltd., China) und hochwertige Einzelkristalldiamantpartikel als Matrix (55 vol.%) und Verstärkungsphase (45 vol.%) verwendet werden,jeweils.

Schließlich wird der Alkohol aus dem vorgepressten Verbundwerkstoff in einem hohen Vakuum von 10^-4 Pa entfernt.und das Kupfer-Diamant-Verbundwerkstoff wird mittels Pulvermetallurgieverfahren verdichtet (Spark-Plasmasinterung), SPS).

Im SPS-Vorbereitungsprozess schlugen wir eine innovative Low-Temperature-High-Pressure (LTHP) -Sintertechnik vor, die mit einer Modifikation der dünnen Schnittstelle (70 nm) kombiniert wird.Zur Verringerung des thermischen Widerstands durch die Beschichtung selbstFür den Vergleich haben wir auch die Verbundwerkstoffe mit dem traditionellen Hochtemperatur-Niederdruck-Sinterverfahren (HTLP) vorbereitet.Die HTLP-Sintertechnik ist eine in früheren Arbeiten weit verbreitete konventionelle Methode zur Integration von Diamanten und Kupfer in dichte VerbundwerkstoffeBei diesem HTLP-Verfahren wird typischerweise eine hohe Sintertemperatur von über 900 °C (nahe dem Schmelzpunkt von Kupfer) und ein niedriger Sinterdruck von etwa 50 MPa verwendet.Die Sintertemperatur wird auf 600°C festgelegt.Gleichzeitig wird durch die Ersetzung der traditionellen Graphitformen durch Hartlegierungsformen dieder Sinterdruck kann erheblich auf 300 MPa erhöht werdenDie Sinterzeit für beide Prozesse beträgt 10 Minuten.Die Versuchsparameter für die verschiedenen Verfahren (LTHP und HTLP) sind in Abbildung b dargestellt..

Die Schlussfolgerungen der vorstehenden Forschung zielen darauf ab, diese Herausforderungen zu überwinden und die Mechanismen zur Verbesserung der Wärmetransport-Eigenschaften von Diamant-/Kupferverbundwerkstoffen aufzuzeigen:

1. Es wurde eine neue Integrationsstrategie entwickelt, die die Modifikation der ultradünnen Schnittstelle mit dem LTHP-Sinterungsprozess kombiniert.Der daraus resultierende Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoff erreichte einen hohen Wärmeleitwert (k) von 763 W/mK, mit einem thermischen Expansionskoeffizienten (CTE) von weniger als 10 ppm/K.ein hoher k-Wert wurde auch bei einem niedrigeren Diamantvolumengrößenanteil erzielt (45% gegenüber den typischen 50%-70% bei herkömmlichen Pulvermetallurgieverfahren), was darauf hindeutet, dass die Kosten durch eine Verringerung der Menge an Diamantfüllstoffen deutlich reduziert werden können.

2. Im Rahmen der vorgeschlagenen Strategie wurde die verfeinerte Schnittstellenstruktur als Schichtstruktur aus Diamant/TiC/CuTi2/Cu charakterisiert.die die Dicke der Übergangsschicht auf etwa 100 nm stark reduzierte, viel geringer als die bisher verwendeten mehreren hundert Nanometer oder sogar Mikrometer.Die Verbindungsstärke der Schnittstellen wurde noch auf Covalentbindungswerte erhöht, mit einer Schnittstellenbindungsenergie von 3,661 J/m2.

3. Aufgrund seiner ultradünnen Beschaffenheit weist die sorgfältig gefertigte Diamant-Kupfer-Schnittstelle eine geringe Wärmebeständigkeit auf. 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)Die beiden potenziellen thermischen Übertragungsengpässe sind also für die Diamant-Kupfer-Schnittstelle nicht länger einschränkende Faktoren.

Die Verbindungsstärke der Schnittstelle erhöhte sich effektiv auf Covalenzbindungswerte.Ein ausgezeichnetes Gleichgewicht zwischen diesen beiden kritischen FaktorenAnalysen deuten darauf hin, daß die gleichzeitige Verbesserung dieser beiden Schlüsselfaktoren der Grund für die überlegene Wärmeleitfähigkeit der Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoffe ist.

 

ZMSH'S Lösung

Kupfer-Substrat Einkristall Cu-Wafer 5x5x0.5/lmm 10x10x0.5/1mm 20x20x0.5/1mm a=3.607A

Al Substrat Einkristall Aluminium Substrat Reinheit 99/99% 5×5×1/0,5 mm 10×10×1/0,5 20x20x0,5/1 mm