Τα διαμάντια και ο χαλκός, ξεπερνάνε τους περιορισμούς!

Με τη συνεχή μικροποίηση, ενσωμάτωση και υψηλή απόδοση των σύγχρονων ηλεκτρονικών συσκευών, συμπεριλαμβανομένων των υπολογιστών, 5G/6G, μπαταριών,Η αύξηση της πυκνότητας ισχύος έχει οδηγήσει σε έντονη θέρμανση Joule και υψηλές θερμοκρασίες εντός των συσκευών.Η αποτελεσματική θερμική διαχείριση έχει γίνει ένα σημαντικό ζήτημα στα ηλεκτρονικά προϊόντα.Η ενσωμάτωση προηγμένων υλικών θερμικής διαχείρισης σε ηλεκτρονικά εξαρτήματα μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την ικανότητα διάσπασης θερμότητας τους.

Τα διαμάντια διαθέτουν εξαιρετικές θερμικές ιδιότητες, παρουσιάζοντας την υψηλότερη ισοτροπική θερμική αγωγιμότητα (k = 2300 W/mK) μεταξύ όλων των χύδην υλικών,και έχουν πολύ χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής (CTE = 1 ppm/K) σε θερμοκρασία δωματίου. 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.

Ωστόσο, υπάρχουν αξιοσημείωτες ασυμφωνίες μεταξύ διαμαντιού και χαλκού σε πολλές πτυχές της απόδοσης, συμπεριλαμβανομένων, μεταξύ άλλων, της CTE (με σημαντική διαφορά κατά σειρά μεγέθους,όπως φαίνεται στο σχήμα (α)) και χημική συγγένεια (είναι αδιάμεικτα και δεν υποβάλλονται σε χημικές αντιδράσεις), όπως απεικονίζεται στο σχήμα (β).

Αυτές οι ασυμφωνίες οδηγούν αναπόφευκτα στην εγγενώς χαμηλή αντοχή δέσμευσης των διαμαντινών/χαλκού συνθετικών υλών κατά τη διάρκεια των διαδικασιών κατασκευής ή ενσωμάτωσης σε υψηλές θερμοκρασίες,καθώς και υψηλή θερμική πίεση στη διεπαφή διαμάντι/ χαλκούΩς εκ τούτου, τα σύνθετα διαμάντι/ χαλκού είναι επιρρεπή σε ρωγμές στη διασύνδεση, γεγονός που μειώνει σημαντικά τη θερμική αγωγιμότητα (όταν το διαμάντι και ο χαλκός συνδέονται άμεσα, η θερμική αγωγιμότητα μειώνεται σημαντικά).η τιμή k τους μπορεί να είναι πολύ χαμηλότερη από εκείνη του καθαρού χαλκού, ακόμη και κάτω από 200 W/mK).

Επί του παρόντος, η κύρια μέθοδος βελτίωσης περιλαμβάνει χημική τροποποίηση της διεπαφής διαμάντι/διαμάντι μέσω κράματος μετάλλου ή μεταλλικοποίησης της επιφάνειας.Το μεταβατικό στρώμα που σχηματίζεται στη διεπαφή μπορεί να ενισχύσει την αντοχή σύνδεσης της διεπαφήςΌπως αναφέρεται στη βιβλιογραφία, για να επιτευχθεί μια επίδραση σύνδεσηςτο πάχος του ενδιάμεσου στρώματος πρέπει να είναι της τάξης των εκατοντάδων νανομέτρων ή ακόμη και μικρομέτρωνΩστόσο, τα μεταβατικά στρώματα στη διασταύρωση διαμάντι/ χαλκού, όπως τα καρβίδια (π.χ. TiC, ZrC, Cr3C2), παρουσιάζουν χαμηλότερες εγγενείς θερμικές αγωγιμότητες (< 25 W/mK),Πολλές τάξεις μεγέθους μικρότερες από εκείνες του διαμαντιού ή του χαλκούΑπό την άποψη της βελτίωσης της αποτελεσματικότητας της μεταφοράς θερμότητας μεταξύ των επιφανειών, είναι απαραίτητο να ελαχιστοποιηθεί το πάχος του ενδιάμεσου στρώματος μετάβασης, διότι, σύμφωνα με το μοντέλο θερμικής αντίστασης, η θερμική αντίσταση είναι χαμηλότερη από τη θερμική αντίσταση.η θερμική αγωγιμότητα της επιφάνειας (G_cu-διαμάντι) είναι αντίστροφα ανάλογη με το πάχος του ενδιάμεσου στρώματος (d).

Ενώ ένα σχετικά παχύτερο στρώμα μετάβασης συμβάλλει στη βελτίωση της αντοχής σύνδεσης της επιφάνειας στη διεπαφή διαμάντι/διαμάντι,η υπερβολική θερμική αντίσταση του ενδιάμεσου στρώματος εμποδίζει τη μεταφορά θερμότητας μέσω της διεπαφήςΣυνεπώς, 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.

Η χημική κατάσταση της διεπαφής καθορίζει την αντοχή σύνδεσης μεταξύ ετερογενών υλικών.Οι χημικοί δεσμοί είναι σημαντικά ισχυρότεροι από τις δυνάμεις του Van der Waals ή τους δεσμούς υδρογόνου.Από την άλλη πλευρά,η ανισορρόπηση θερμικής διαστολής και στις δύο πλευρές της διεπαφής (όπου το T αντιπροσωπεύει το CTE και τη θερμοκρασία) είναι ένας άλλος κρίσιμος παράγοντας που επηρεάζει την αντοχή δέσμευσης των διαμαντινών / χαλκού σύνθετων υλικώνΌπως φαίνεται στο σχήμα (α), υπάρχει σημαντική διαφορά στην τάξη μεγέθους των συντελεστών θερμικής διαστολής μεταξύ διαμαντιού και χαλκού.

Γενικά,Η ασυμφωνία θερμικής επέκτασης ήταν πάντα ένας βασικός παράγοντας που επηρεάζει τις επιδόσεις πολλών σύνθετων υλικών, επειδή η πυκνότητα εκτόξευσης γύρω από το γεμιστήρι αυξάνεται σημαντικά κατά τη διάρκεια της ψύξης, ειδικά σε σύνθετες ύλες μετάλλου που έχουν ενισχυθεί με μη μεταλλικά υλικά πλήρωσης, όπως σύνθετες ύλες AlN/Al, σύνθετες ύλες TiB2/Mg, σύνθετες ύλες SiC/Al και τις σύνθετες ύλες διαμάντου/ χαλκού που μελετήθηκαν στην παρούσα εργασία.Επιπλέον, η θερμοκρασία προετοιμασίας των διαμαντινών/συμμετοχών χαλκού είναι σχετικά υψηλή, υπερβαίνοντας συνήθως τους 900 °C στις συμβατικές διαδικασίες.Η σημαντική ασυμφωνία θερμικής διαστολής μπορεί εύκολα να δημιουργήσει θερμική πίεση σε κατάσταση εφελκυσμού στη διεπαφή διαμάντι/ χαλκού, που οδηγεί σε απότομη μείωση της προσκόλλησης της επιφάνειας και ακόμη και σε αποτυχία της.

Με άλλα λόγια, η χημική κατάσταση της διεπαφής καθορίζει το θεωρητικό δυναμικό για τη δύναμη σύνδεσης της διεπαφής,ενώ η θερμική ασυμφωνία υπαγορεύει το βαθμό μείωσης της αντοχής σύνδεσης της επιφάνειας μετά την κατασκευή σύνθετων υλικών υψηλής θερμοκρασίαςΩς εκ τούτου, η τελική αντοχή σύνδεσης της επιφάνειας είναι το αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης μεταξύ αυτών των δύο παραγόντων.Οι περισσότερες τρέχουσες μελέτες επικεντρώνονται στη βελτίωση της αντοχής σύνδεσης της διεπαφής προσαρμόζοντας τη χημική κατάσταση της διεπαφής, όπως μέσω του τύπου, του πάχους και της μορφολογίας του μεταβατικού ενδιάμεσου στρώματος.Η μείωση της αντοχής σύνδεσης μεταξύ των επιφανειών λόγω της σοβαρής θερμικής ασυμφωνίας στις διεπαφές δεν έχει ακόμη λάβει επαρκή προσοχή.

Η διαδικασία προετοιμασίας, όπως φαίνεται στο σχήμα (α), περιλαμβάνει τρία κύρια στάδια.ένα λεπτό στρώμα τιτανίου (Ti) ονομαστικού πάχους 70 nm αποθηκεύεται στην επιφάνεια των σωματιδίων διαμαντιού (μοντέλο: HHD90, μέγεθος πλέγματος: 60/70, Huanghe Whirlwind Co., Ltd., Henan, Κίνα) χρησιμοποιώντας ραδιοσυχνότητα magnetron sputtering σε 500 °C. Στόχοι τιτανίου υψηλής καθαρότητας (καθαρότητα: 99.99%) χρησιμοποιούνται ως υλικό προέλευσηςΤο πάχος της επικάλυψης Ti ελέγχεται ρυθμίζοντας τον χρόνο αποθέσεως.χρησιμοποιείται τεχνική περιστροφής υποστρώματος, επιτρέποντας την έκθεση όλων των επιφανειών των σωματιδίων διαμαντιού στην ατμόσφαιρα ψεκασμού,διασφαλίζοντας ότι το στοιχείο Ti αποθηκεύεται ομοιόμορφα σε όλα τα επιφανειακά επίπεδα των διαμαντιδίων σωματιδίων (που περιλαμβάνουν κυρίως δύο τύπους πλευρών): (001) και (111)).

Δεύτερον, κατά τη διαδικασία υγρής ανάμειξης, προστίθεται 10% κατά βάρος αλκοόλης για να εξασφαλιστεί ομοιόμορφη κατανομή των σωματιδίων διαμαντιού μέσα στη μήτρα χαλκού.μέγεθος σωματιδίων: 5·20 μm, Zhongnuo Advanced Materials Technology Co., Ltd, Κίνα) και υψηλής ποιότητας μονοκρυστάλλιο διαμαντένια σωματίδια χρησιμοποιούνται ως μήτρα (55 vol%) και ως φάση ενίσχυσης (45 vol%),αντίστοιχα.

Τέλος, η αλκοόλη απομακρύνεται από το προεπιεσμένο σύνθετο υλικό σε υψηλό κενό 10^-4 Pa,και το σύνθετο υλικό χαλκού-διαμαντιού συμπυκνώνεται χρησιμοποιώντας μεθόδους μεταλλουργίας σκόνης (συντρίωση πλάσματος σπινθήρα), SPS).

Στην διαδικασία προετοιμασίας SPS, προτείνουμε καινοτόμα μια τεχνική συγκόλλησης χαμηλής θερμοκρασίας υψηλής πίεσης (LTHP), συνδυάζοντάς την με τροποποίηση λεπτής διεπαφής (70 nm).Για να μειωθεί η θερμική αντίσταση που εισάγεται από την ίδια την επικάλυψηΓια σύγκριση, προετοιμάσαμε επίσης τα σύνθετα υλικά χρησιμοποιώντας την παραδοσιακή διαδικασία συγκόλλησης υψηλής θερμοκρασίας χαμηλής πίεσης (HTLP).Η τεχνική συγκόλλησης HTLP είναι μια συμβατική μέθοδος που χρησιμοποιείται ευρέως σε προηγούμενες εργασίες για την ενσωμάτωση διαμαντιού και χαλκού σε πυκνά σύνθεταΗ διαδικασία αυτή HTLP χρησιμοποιεί συνήθως μια υψηλή θερμοκρασία συγκόλλησης άνω των 900°C (κοντά στο σημείο τήξης του χαλκού) και χαμηλή πίεση συγκόλλησης περίπου 50 MPa.η θερμοκρασία συγκόλλησης ορίζεται σε 600°CΤαυτόχρονα, με την αντικατάσταση των παραδοσιακών καλούπιων από γραφίτη με καλούπιες από σκληρό κράμαη πίεση συγκόλλησης μπορεί να αυξηθεί σημαντικά έως 300 MPaΟ χρόνος συγκόλλησης και για τις δύο διαδικασίες είναι 10 λεπτά.Οι πειραματικές παράμετροι για τις διάφορες διεργασίες (LTHP και HTLP) παρουσιάζονται στο σχήμα (β)..

Τα συμπεράσματα της ανωτέρω έρευνας αποσκοπούν στην αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων και στην εξήγηση των μηχανισμών βελτίωσης των θερμικών μεταγωγικών ιδιοτήτων των διαμαντινών/συμμελισμένων χαλκού:

1. Αναπτύχθηκε μια νέα στρατηγική ολοκλήρωσης που συνδυάζει την τροποποίηση της υπεραπλής διεπαφής με τη διαδικασία συγκόλλησης LTHP.Το προκύπτον σύνθετο διαμάντι/ χαλκού πέτυχε υψηλή θερμική αγωγιμότητα (k) 763 W/mK, με συντελεστή θερμικής διαστολής (CTE) μικρότερο από 10 ppm/K. Επιπλέον,η υψηλή τιμή k επιτεύχθηκε ακόμη και σε χαμηλότερο όγκο διαμαντιού (45% σε σύγκριση με το 50%-70% που είναι τυπικό στις συμβατικές διαδικασίες μεταλλουργίας σκόνης), που δείχνει ότι τα έξοδα μπορούν να μειωθούν σημαντικά με τη μείωση της ποσότητας του διαμαντιού.

2. Μέσα από την προτεινόμενη στρατηγική, η βελτιωμένη δομή διεπαφής χαρακτηρίστηκε ως στρωμένη δομή διαμαντιού/TiC/CuTi2/Cu,που μείωσε σημαντικά το πάχος του στρώματος μετάβασης σε περίπου 100 nmΩστόσο, λόγω της μειωμένης θερμικής ζημίας κατά τη διάρκεια της διαδικασίας προετοιμασίας, η μέτρηση της θερμικής πίεσης είναι πολύ μικρότερη σε σχέση με τις αρκετές εκατοντάδες νανομέτρους ή ακόμη και μικρομέτρους που χρησιμοποιούνταν προηγουμένως.η αντοχή της σύνδεσης μεταξύ των διεπαφών εξακολουθεί να αυξάνεται στα επίπεδα των συνδυαστικών δεσμών, με ενέργεια δέσμευσης διασύνδεσης 3.661 J/m2.

3. Λόγω της εξαιρετικά λεπτής φύσης του, το προσεκτικά κατασκευασμένο μεταβατικό στρώμα διαμαντιού / χαλκού παρουσιάζει χαμηλή θερμική αντοχή. 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)Επομένως, τα δύο δυνητικά εμπόδια θερμικής μεταφοράς δεν αποτελούν πλέον περιοριστικούς παράγοντες για την διεπαφή διαμάντι/ χαλκού.

Ωστόσο, η ικανότητα θερμικής μεταφοράς της διεπαφής (G = 93,5 MW/m2K) παρέμεινε αμετάβλητη,• να επιτευχθεί μια εξαιρετική ισορροπία μεταξύ αυτών των δύο κρίσιμων παραγόντωνΟι αναλύσεις δείχνουν ότι η ταυτόχρονη βελτίωση αυτών των δύο βασικών παραγόντων είναι η αιτία της ανώτερης θερμικής αγωγιμότητας των διαμαντιών/χαλκού.

 

Η Λύση του ZMSH

Υπόστρωμα χαλκού μονοκρυστάλλιο Cu 5x5x0.5/lmm 10x10x0.5/1mm 20x20x0.5/1mm a=3.607A

Al υποστρώμα μονοκρυστάλλιο Αλουμίνιο καθαρότητα 99/99% 5×5×1/0,5 mm 10×10×1/0,5 20x20x0,5/1mm