Διαμάντι/Κουβέρ (Cu) σύνθετα υλικά για υψηλή θερμική αγωγιμότητα και βελτιωμένες εφαρμογές μηχανικών επιδόσεων

Διαμάντι/Κουβέρ (Cu) σύνθετα υλικά για υψηλή θερμική αγωγιμότητα και βελτιωμένες εφαρμογές μηχανικών επιδόσεων

Από τη δεκαετία του '80, το επίπεδο ενσωμάτωσης κυκλωμάτων στα ηλεκτρονικά εξαρτήματα αυξάνεται με ρυθμό 1,5 φορές ή ακόμα πιο γρήγορα ετησίως.Καθώς το επίπεδο ολοκλήρωσης των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων αυξάνεται, το ρεύμα αυξάνεται αναλόγως, δημιουργώντας περισσότερη θερμότητα κατά τη διάρκεια της λειτουργίας.μπορεί να προκαλέσει θερμική βλάβη στα ηλεκτρονικά εξαρτήματα και να μειώσει τη διάρκεια ζωής τουςΩς εκ τούτου, για να ανταποκριθούν στις αυξανόμενες απαιτήσεις εξαφάνισης θερμότητας των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων, τα ηλεκτρονικά υλικά συσκευασίας με υψηλή θερμική αγωγιμότητα έχουν συνεχώς ερευνηθεί και βελτιστοποιηθεί.

Τα καθαρά μέταλλα όπως το Cu, το Ag και το Al έχουν υψηλή θερμική αγωγιμότητα αλλά υπερβολικά υψηλά ποσοστά θερμικής διαστολής.για τη διασφάλιση της κανονικής λειτουργίας των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων και την παράταση της ζωής τουςΤο διαμάντι είναι σήμερα γνωστό ως το σκληρότερο φυσικό υλικό.με σκληρότητα Mohs 10Το διαμάντι είναι επίσης ένα από τα φυσικά υλικά με την υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα, που φτάνει τα 200 έως 2200 W/(m·K).Τα σύνθετα διαμάντια/ χαλκό ̇ που χρησιμοποιούν χαλκό ως μήτρα και διαμάντι ως ενίσχυση ̇ θεωρούνται ευρέως ως τα μελλοντικά κύρια ηλεκτρονικά υλικά συσκευασίας υψηλής θερμικής αγωγιμότητας..

Το διαμαντένιο/καμμίριο σύνθετο είναι ένα σύνθετο υλικό υψηλών επιδόσεων που αποτελείται από διαμάντι

Οι κοινές μέθοδοι προετοιμασίας για τα σύνθετα διαμάντι/ χαλκού περιλαμβάνουν: μεταλλουργία σκόνης, υψηλή θερμοκρασία και υψηλή πίεση, διείσδυση λιωμένου, συντριβή πλάσματος σπινθήρα, ψεκασμός κρύου και άλλα.

(1) Μεταλλουργία σκόνης

αναμειγνύουν τα διαμαντένια σωματίδια μεΚατά τη διάρκεια της διαδικασίας ανάμειξης, μπορεί να προστεθεί μια ορισμένη ποσότητα συνδετικού και παρασκευαστικού.η συγκόλληση πραγματοποιείται για την απόκτηση διαμαντινών/σύνθετων υλών Cu υψηλής θερμικής αγωγιμότηταςΗ μεταλλουργία σκόνης είναι μια απλή διαδικασία με σχετικά χαμηλό κόστος και είναι μια σχετικά ώριμη τεχνική συγκόλλησης.ΕπιπλέονΤα προετοιμασμένα δείγματα τείνουν να έχουν περιορισμένο μέγεθος και απλό σχήμα, καθιστώντας δύσκολη την άμεση επίτευξη θερμικά ανώτερων θερμοδιαγωγικών υλικών.

(2) Υψηλή θερμοκρασία και υψηλή πίεση

(3) Διαρροή του λιωμένου

(4) Συσσωρεύσεις πλάσματος με σπινθήρα (SPS)

(5) Ψυχρή ψεκασμός

Η ψεκαστική ψεκαστική κατάθεση περιλαμβάνει την τοποθέτηση δύο μικτών σκόνης σε ένα θάλαμο φούρνου, όπου μετά από τήξη μετάλλου και ατομικοποίηση υγρού μετάλλου,τα σωματίδια ψεκαστούν και αποθηκεύονται σε πλάκα υποστρώματος για την παραγωγή σύνθετου υλικού.

Στρατηγικές χρησιμοποιούνται για την αντιμετώπιση των ζητημάτων διεπαφής μεταξύ διαμαντιού και του Cu μήτρα

Για την κατασκευή σύνθετων υλικών, η αμοιβαία υγρασία μεταξύ των συστατικών είναι απαραίτητη προϋπόθεση για την επιτυχή σύνθεση,και παίζει κρίσιμο ρόλο στον καθορισμό της δομής της διεπαφής και της κατάστασης σύνδεσηςΗ κακή υγρασία μεταξύ διαμαντιού και χαλκού οδηγεί σε υψηλή θερμική αντίσταση της επιφάνειας.η οποία είναι κρίσιμη για τη βελτίωση της απόδοσης των σύνθετων υλών.

Επί του παρόντος, χρησιμοποιούνται δύο κύριες στρατηγικές για την αντιμετώπιση των προβλημάτων διεπαφής μεταξύ διαμαντιού και μήτρας Cu:

Τροποποίηση επιφάνειας διαμαντιού
Η επικάλυψη της επιφάνειας των σωματιδίων διαμαντιού με ενεργά στοιχεία όπως Mo, Ti, W ή Cr μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας.Αυτά τα στοιχεία αντιδρούν με τον άνθρακα στην επιφάνεια του διαμαντιού για να σχηματίσουν ένα μεταβατικό στρώμα καρβιδίουΕπιπλέον, οι εν λόγω επικάλυψεις μπορούν να προστατεύσουν τη δομή του διαμαντιού από την υποβάθμιση σε υψηλές θερμοκρασίες.

Συσκευή από χάλυβα

Πριν από την επεξεργασία των σύνθετων υλών, η μήτρα χαλκού μπορεί να προλυθεί με ενεργά στοιχεία.Η εισαγωγή δραστικών στοιχείων στη μήτρα χαλκού μειώνει αποτελεσματικά τη γωνία επαφής μεταξύ διαμαντιού και χαλκού και προάγει το σχηματισμό στρώματος καρβιδίου στη διεπαφή διαμαντιού/CuΤα καρβίδια αυτά, τα οποία μπορούν να είναι μερικώς διαλυτά στη μήτρα χαλκού, βοηθούν στην κάλυψη των κενών της επιφάνειας και βελτιώνουν σημαντικά τις θερμικές επιδόσεις.

Το τοπίο της αγοράς και οι τάσεις ανάπτυξης

Δομή της αγοράς

Διεθνής ηγεσία:
Οι αγορές υψηλού επιπέδου κυριαρχούνται από διεθνείς παίκτες όπως η AMETEK (ΗΠΑ) και η Sumitomo Electric (Ιαπωνία), οι οποίες εξυπηρετούν κυρίως τον στρατιωτικό και τον αεροδιαστημικό τομέα.Η Heraeus (Γερμανία) και η Toho Titanium (Ιαπωνία) εστιάζουν στα υποστρώματα θερμικής διαχείρισης για καταναλωτικά ηλεκτρονικά.

Πρόοδος στην εγχώρια παραγωγή:
Κινέζοι κατασκευαστές (π.χ. Ινστιτούτο Ερευνών Μεταλλικών, Κινεζική Ακαδημία Επιστημών,Η Hunan Dingli Technology) έχει επιτύχει μαζική παραγωγή συνθετικών υποστρωμάτων διαμαντιού/Cu μήκους 6 ιντσών με μεθόδους μεταλλουργίας σκόνηςΜέχρι το 2023, οι κινεζικές εταιρείες θα έχουν κατακτήσει το 25% του εγχώριου μεριδίου αγοράς.

Μέγεθος της αγοράς

Σύμφωνα με πρόβλεψη της QY Research, η παγκόσμια αγορά σύνθετων προϊόντων διαμαντιού/Cu αναμένεται να φθάσει τα 1,2 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ έως το 2025, με συνδυασμένο ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης (CAGR) 18%.Η περιοχή της Ασίας και του Ειρηνικού αναμένεται να αντιπροσωπεύει πάνω από το 50% της παγκόσμιας ζήτησης.

Στο τομέα των επικοινωνιών 5G, η ζήτηση για ενότητες θερμικής διαχείρισης σταθμών βάσης αναμένεται να οδηγήσει σε αύξηση της κατανάλωσης σύνθετων υλικών κατά 300% έως το 2024.

Μελλοντικές τάσεις

Πρωτοποριακές εξελίξεις στις τεχνολογίες συνθετικών διαμαντιών:
Το κόστος των διαμαντιών χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD) αναμένεται να μειωθεί στο ένα δέκατο των σημερινών επιπέδων μέσα στην επόμενη δεκαετία.

Εφαρμογές ετερογενούς ολοκλήρωσης:
Ανάπτυξη υπερλεπτών, ευέλικτων θερμικών ταινιών με σύνθεση διαμαντιού με διμερή υλικά όπως το γραφένιο και το νιτρικό βόριο.

Έξυπνη θερμική διαχείριση:
Ενσωμάτωση αισθητήρων θερμοκρασίας σε υποστρώματα διαμαντιού/Cu για την επιτήρηση της θερμικής κατανομής σε πραγματικό χρόνο και τη δυναμική θερμική ρύθμιση.

Προκλήσεις και μελλοντικές κατευθύνσεις έρευνας

Τεχνικές δυσκολίες

Δυσκολία να επιτευχθεί ταυτόχρονα χαμηλή θερμική αντίσταση της επιφάνειας και υψηλή απόδοση μαζικής παραγωγής, περιορίζοντας την διείσδυση των συνθετικών διαμαντιών/Cu στις αγορές καταναλωτικών ηλεκτρονικών συσκευών.

Συνεχείς προβλήματα με την οξείδωση των διεπαφών και την διάχυση των στοιχείων κατά τη διάρκεια μακροχρόνιας λειτουργίας σε υψηλές θερμοκρασίες.

Κατευθύνσεις έρευνας

Σχεδιασμός βιομιμητικής διεπαφής:
Εμπνευσμένοι από στρωμένες δομές στη φύση (π.χ. nacre), διερευνούνται στρατηγικές διανομής ενισχύσεων πολλαπλής κλίμακας για τη βελτιστοποίηση της θερμομηχανικής απόδοσης ζεύξης.

Πράσινες διαδικασίες παραγωγής:
Ανάπτυξη φιλικών προς το περιβάλλον διαδικασιών, όπως η ηλεκτροπληγή χωρίς κυάνιο και η συγκόλληση σε χαμηλές θερμοκρασίες για τη μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα.

Συσκευάσματα υπεριώδους θερμοκρασίας:
Έρευνα του δυναμικού εφαρμογής των συνθετικών διαμαντιών/Cu σε περιβάλλοντα άνω των 1000°C.

Συμπεράσματα

Χάρη στην απαράμιλλη θερμική τους αγωγιμότητα και τα ολοκληρωμένα μηχανικά τους πλεονεκτήματα,Τα σύνθετα διαμάντι/Cu αναδύονται ως βασικά υλικά για ηλεκτρονικές συσκευές υψηλής πυκνότητας ισχύος και εφαρμογές σε ακραίες συνθήκεςΠαρά τις προκλήσεις στην βελτιστοποίηση των διεπαφών και τη μείωση του κόστους,Οι συνεχιζόμενες εξελίξεις στις συνθετικές τεχνικές και η σταδιακή ωρίμανση της βιομηχανικής αλυσίδας ανοίγουν το δρόμο για ευρύτερη υιοθέτηση.

Στο μέλλον, μέσω διεπιστημονικών καινοτομιών, οι οποίες συνδυάζουν την επιστήμη των υλικών, τη νανοτεχνολογία, τηνκαι τεχνητής νοημοσύνης, τα σύνθετα διαμάντι/Cu αναμένεται να οδηγήσουν τις ηλεκτρονικές συσκευές προς υψηλότερες επιδόσεις.Επιπλέον, τα υλικά αυτά θα διαδραματίσουν κρίσιμο ρόλο στην ενίσχυση της παγκόσμιας ενεργειακής απόδοσης και την υποστήριξη των πρωτοβουλιών ουδετερότητας άνθρακα.

Άλλες συστάσεις σχετικών προϊόντων

Υπόστρωμα χαλκού Μονόκρυσταλικός Cu Wafer 5x5x0.5/lmm 10x10x0.5/1mm 20x20x0.5/1mm