Diamant/Kupfer (Cu) Verbundmaterialien für hohe Wärmeleitfähigkeit und verbesserte mechanische Anwendungen

Diamant/Kupfer (Cu) Verbundmaterialien für hohe Wärmeleitfähigkeit und verbesserte mechanische Anwendungen

Seit den 1980er Jahren nimmt die Integration von Schaltungen in elektronische Bauteile jährlich um das 1,5-fache oder sogar schneller zu.Da das Integrationsniveau der integrierten Schaltungen steigt, erhöht sich der Strom entsprechend und erzeugt während des Betriebs mehr Wärme.Es kann thermische Schäden an elektronischen Bauteilen verursachen und ihre Lebensdauer verkürzen.Um den wachsenden Wärmeabbauanforderungen an elektronische Bauteile gerecht zu werden, werden daher kontinuierlich elektronische Verpackungsmaterialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit erforscht und optimiert.

Reine Metalle wie Cu, Ag und Al haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit, aber eine übermäßig hohe Wärmeexpansionsrate.zur Gewährleistung des normalen Betriebs elektronischer Komponenten und zur Verlängerung ihrer Lebensdauer, ist es dringend erforderlich, neue Verpackungsmaterialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit und angemessenen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu entwickeln.mit einer Mohs-Härte von 10, und ist auch eines der Naturmaterialien mit der höchsten Wärmeleitfähigkeit, die 200 bis 2200 W/(m·K erreicht.Diamant/Kupfer-Verbundwerkstoffe, die Kupfer als Matrix und Diamant als Verstärkung verwenden, gelten allgemein als die zukünftigen gängigen elektronischen Verpackungsmaterialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit..

Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoff ist ein hochleistungsfähiges Verbundwerkstoff, das aus Diamanten besteht

Zu den üblichen Herstellungsverfahren für Diamant-/Kupferverbundwerkstoffe gehören: Pulvermetallurgie, Hochtemperatur und Hochdruck, Schmelzinfiltration, Funkenplasmasinternierung, Kaltsprühen und andere.

(1) Pulvermetallurgie

Diamantpartikel mitWährend des Mischvorgangs kann eine bestimmte Menge Bindemittel und Formmittel hinzugefügt werden.Sinterung erfolgt zur Gewinnung von hochwärmeleitfähigen Diamant-Cu-VerbundwerkstoffenDie Pulvermetallurgie ist ein einfaches Verfahren mit relativ geringen Kosten und eine relativ ausgereifte Sintertechnik.ZusätzlichDie vorbereiteten Proben sind in der Regel begrenzt in der Größe und einfach in der Form, so dass es schwierig ist, direkt thermisch überlegene Wärmeleitungsmaterialien zu erreichen.

(2) Hohe Temperatur und hoher Druck

(3) Infiltration der Schmelze

(4) Spark Plasma Sintering (SPS)

(5) Kaltes Sprühen

Bei der Kaltspritzdeposition werden zwei Mischpulver in eine Ofenkammer gelegt, in der nach dem Schmelzen des Metalls und der Atomisation des flüssigen MetallsDie Partikel werden gesprüht und auf eine Substratplatte abgelagert, um ein Verbundmaterial zu erhalten..

Es werden Strategien eingesetzt, um die Schnittstellen zwischen Diamant und Cu-Matrix zu lösen.

Bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen ist die gegenseitige Befeuchtbarkeit zwischen den Bauteilen eine notwendige Voraussetzung für eine erfolgreiche Verbundung.und es spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Schnittstellenstruktur und BindungszustandDie schlechte Befeuchtbarkeit zwischen Diamant und Kupfer führt zu einer hohen thermischen Widerstandsfähigkeit der Oberfläche.die für die Verbesserung der Leistung der Verbundwerkstoffe von entscheidender Bedeutung ist.

Derzeit werden zwei Hauptstrategien angewandt, um die Schnittstellenprobleme zwischen Diamant und Cu-Matrix zu lösen:

Oberflächenänderungen von Diamanten
Die Oberfläche von Diamantpartikeln mit aktiven Elementen wie Mo, Ti, W oder Cr zu beschichten, kann die Oberflächenmerkmale erheblich verbessern.Diese Elemente reagieren mit dem Kohlenstoff auf der Diamantoberfläche und bilden eine Karbidübergangsschicht.Diese Beschichtungen können die Struktur des Diamanten auch vor Abbau bei erhöhten Temperaturen schützen.

Legierung der Kupfermatrix

Vor der Verarbeitung von Verbundwerkstoffen kann die Kupfermatrix mit aktiven Elementen vorlegiert werden.Die Einführung von Wirkstoffen in die Kupfermatrix verringert effektiv den Kontaktwinkel zwischen Diamant und Kupfer und fördert die Bildung einer Karbidschicht an der Diamant-Cu-SchnittstelleDiese in der Kupfermatrix teilweise löslichen Carbide tragen dazu bei, Schnittstellenlücken zu füllen und die thermische Leistung erheblich zu verbessern.

Marktlandschaft und Entwicklungstrends

Marktstruktur

Internationale Führung:
Die High-End-Märkte werden von internationalen Akteuren wie AMETEK (USA) und Sumitomo Electric (Japan) dominiert, die hauptsächlich den Militär- und Luftfahrtsektor bedienen.Heraeus (Deutschland) und Toho Titanium (Japan) konzentrieren sich auf Substrate zur thermischen Steuerung von Unterhaltungselektronik.

Fortschritt der inländischen Produktion:
chinesische Hersteller (z. B. Institut für Metallforschung, Chinesische Akademie der Wissenschaften;Hunan Dingli Technology) haben die Massenproduktion von 6-Zoll-Diamant/Cu-Verbundsubstraten mittels Pulvermetallurgie-Methoden erreichtBis 2023 haben chinesische Unternehmen 25% des heimischen Marktanteils erobert.

Marktgröße

Laut einer Prognose von QY Research wird der weltweite Markt für Diamant-Cu-Verbundwerkstoffe bis 2025 voraussichtlich 1,2 Mrd. USD erreichen, wobei die jährliche Wachstumsrate (CAGR) 18% betragen wird.Der asiatisch-pazifische Raum wird voraussichtlich mehr als 50% der weltweiten Nachfrage ausmachen.

Im 5G-Kommunikationssektor wird erwartet, dass die Nachfrage nach Wärmemanagementmodulen für Basisstationen bis 2024 zu einem Anstieg des Verbrauchs von Verbundwerkstoffen um 300% führt.

Zukunftstrends

Durchbrüche in der Kunstdiamanttechnik:
Es wird erwartet, daß die Kosten für chemische Dampfdeposition (CVD) -Diamanten innerhalb des nächsten Jahrzehnts auf ein Zehntel des derzeitigen Niveaus sinken werden.

Anwendungen der heterogenen Integration:
Entwicklung von ultradünnen, flexiblen thermischen Filmen durch Verbindung von Diamanten mit zweidimensionalen Materialien wie Graphen und Bornitrid.

Intelligentes thermisches Management:
Integration von Temperatursensoren in Diamant-/Cu-Substrate zur Echtzeitüberwachung der Wärmeverteilung und dynamischer Wärmeregulierung.

Herausforderungen und künftige Forschungsrichtungen

Technische Engpässe

Schwierigkeiten bei gleichzeitiger Erzielung einer geringen Wärmebeständigkeit der Oberfläche und hoher Massenproduktionserträge, was das Eindringen von Diamant/Cu-Verbundwerkstoffen in die Verbraucherelektronikmärkte einschränkt.

Dauerhafte Probleme mit Schnittstellenoxidation und Elementendiffusion während langfristiger Hochtemperaturbetrieb.

Forschungsrichtungen

Biomimetische Schnittstellenkonstruktion:
Inspiriert von geschichteten Strukturen in der Natur (z. B. Nacre) werden mehrmalige Verstärkungstrategie zur Optimierung der thermo-mechanischen Kupplungsleistung untersucht.

Grüne Herstellungsprozesse:
Entwicklung umweltfreundlicher Verfahren wie z. B. zyanidfreies Galvanisieren und Niedertemperatursintern zur Verringerung der CO2-Emissionen.

mit einer Breite von mehr als 20 mm,
Untersuchung des Anwendungspotenzials von Diamant-Cu-Verbundwerkstoffen bei Temperaturen über 1000°C.

Schlussfolgerung

Dank ihrer beispiellosen Wärmeleitfähigkeit und umfassenden mechanischen Vorteile,Diamant/Cu-Verbundwerkstoffe werden zu Schlüsselmaterialien für hochleistungsfähige elektronische Geräte und Anwendungen unter extremen BedingungenTrotz der Herausforderungen bei der Optimierung der Schnittstelle und der KostensenkungDie fortlaufenden Fortschritte bei den synthetischen Techniken und die allmähliche Reifung der Industriekette ebnen den Weg für eine breitere Einführung.

In Zukunft werden durch interdisziplinäre Innovationen, die die Materialwissenschaft, die Nanotechnologie und dieund künstliche Intelligenz ∆Diamant/Cu-Verbundwerkstoffe sollen elektronische Geräte zu höheren Leistungen anregenDiese Materialien werden darüber hinaus eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der globalen Energieeffizienz und der Unterstützung von CO2-Neutralitätsinitiativen spielen.

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