Διαμαντένιο / χαλκό σύνθετο υλικό, σπάσει το όριο!

Διαμαντένιο / χαλκό σύνθετο υλικό, σπάσει το όριο!

Με τη συνεχή μικροποίηση, την ενσωμάτωση και την υψηλή απόδοση των σύγχρονων ηλεκτρονικών συσκευών, συμπεριλαμβανομένων των υπολογιστών, 5G/6G, μπαταριών και ηλεκτρονικής ισχύος,Η αυξανόμενη πυκνότητα ισχύος οδηγεί σε έντονη ζέστη σε ζουλ και υψηλές θερμοκρασίες στα κανάλια της συσκευήςΗ αποτελεσματική διάχυση της θερμότητας γίνεται ένα σημαντικό πρόβλημα στα ηλεκτρονικά προϊόντα.Η ενσωμάτωση προηγμένων υλικών θερμικής διαχείρισης σε ηλεκτρονικές συσκευές μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τις δυνατότητες διάσπασης θερμότητας τους.

Το διαμάντι έχει εξαιρετικές θερμικές ιδιότητες, την υψηλότερη ισοτροπική θερμική αγωγιμότητα όλων των χύδην υλικών (k= 2300W/mK),και έχει εξαιρετικά χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής σε θερμοκρασία δωματίου (CTE=1ppm/K)- συνθετικά υλικά χαλκού με ενισχυμένη με διαμαντένια σωματίδια μήτρα (διαμαντένιο/χαλκό), ως νέα γενιά υλικών θερμικής διαχείρισης,έχουν λάβει μεγάλη προσοχή λόγω της πιθανής υψηλής τιμής k και της ρυθμιζόμενης CTE.

Ωστόσο, υπάρχουν σημαντικές ασυμφωνίες μεταξύ διαμαντιού και χαλκού σε πολλές ιδιότητες, συμπεριλαμβανομένων, μεταξύ άλλων, της CTE (μια σαφής διαφορά κατά σειρά μεγέθους,όπως φαίνεται στο σχήμα α) και χημική συγγένεια (χωρίς στερεό διάλυμα), χωρίς χημική αντίδραση, όπως φαίνεται στο σχήμα (β).

Σημαντικές διαφορές απόδοσης μεταξύ χαλκού και διαμαντιού (α) συντελεστής θερμικής διαστολής (CTE) και (β) διάγραμμα φάσης

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 compositesΩς εκ τούτου, τα διαμαντένια και χαλκοειδή σύνθετα θα αντιμετωπίσουν αναπόφευκτα προβλήματα ρωγμάτωσης των διεπαφών και η θερμική αγωγιμότητα θα μειωθεί σημαντικά (όταν το διαμάντι και ο χαλκός συνδυάζονται απευθείας, η θερμική αγωγιμότητα θα μειωθεί σημαντικά).η τιμή k του είναι ακόμη πολύ χαμηλότερη από τον καθαρό χαλκό (< 200W/mK).

Επί του παρόντος, η κύρια μέθοδος βελτίωσης είναι η χημική τροποποίηση της διεπαφής διαμάντι/διαμάντι μέσω κράματος μετάλλου ή μεταλλικοποίησης της επιφάνειας.Το μεταβατικό ενδιάμεσο στρώμα που σχηματίζεται στη διεπαφή θα βελτιώσει τη δύναμη σύνδεσης της διεπαφής, και το σχετικά παχύ διάστρωμα είναι πιο ευνοϊκό για την αντίσταση της ρωγμάτωσης της διεπαφής.το πάχος του ενδιάμεσου στρώματος πρέπει να είναι εκατοντάδες νανομέτρα ή ακόμη και μικρομέτραΕντούτοις, τα μεταβατικά στρώματα στη διεπαφή διαμάντι/ χαλκού, όπως τα καρβίδια (TiC, ZrC, Cr3C2, κλπ.), έχουν χαμηλότερη εγγενή θερμική αγωγιμότητα (< 25W/mK,Πολλές τάξεις μεγέθους μικρότερες από το διαμάντι ή το χαλκό)Από την άποψη της βελτίωσης της αποτελεσματικότητας της απώλειας θερμότητας της διεπαφής, είναι απαραίτητο να ελαχιστοποιηθεί το πάχος του σάντουιτς μετάβασης,επειδή σύμφωνα με το μοντέλο σειράς θερμικής αντίστασης, η θερμική αγωγιμότητα της διεπαφής (G χαλκό-διαμάντι) είναι αντίστροφα ανάλογη με το πάχος του σάντουιτς (δ):

Το σχετικά παχύ μεταβατικό στρώμα συμβάλλει στη βελτίωση της δύναμης δέσμευσης της διασύνδεσης διαμάντι/διαμάντι,αλλά η υπερβολική θερμική αντίσταση του ενδιάμεσου στρώματος δεν ευνοεί τη μεταφορά θερμότητας της διεπαφήςΣυνεπώς, 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.

Η χημική κατάσταση της διεπαφής καθορίζει την αντοχή σύνδεσης μεταξύ ετερογενών υλικών.Οι χημικοί δεσμοί είναι πολύ υψηλότεροι από τις δυνάμεις του Βαν ντερ Βαάλς ή τους δεσμούς υδρογόνου.Από την άλλη πλευρά, η ανισορρόπηση της θερμικής διαστολής μεταξύ των δύο πλευρών της διεπαφής (όπου το T αναφέρεται στην CTE και τη θερμοκρασία,Η μέτρηση της αντίστοιχης αντοχής των διαμαντινών και του χαλκού σε σύνθετα υλικά είναι επίσης σημαντική για τον προσδιορισμό της αντοχής σύνδεσης των διαμαντινών και του χαλκούΌπως φαίνεται στο σχήμα (α) ανωτέρω, ο συντελεστής θερμικής διαστολής του διαμαντιού και του χαλκού είναι σαφώς διαφορετικός κατά σειρά μεγέθους.

Σε γενικές γραμμές, οι ασυμφωνίες θερμικής επέκτασης ήταν ένας βασικός παράγοντας που επηρεάζει τις επιδόσεις πολλών σύνθετων υλικών, καθώς η πυκνότητα των εκτοπισμών γύρω από τα υλικά πλήρωσης αυξάνεται σημαντικά κατά τη διάρκεια της ψύξης,ειδικά σε σύνθετα μετάλλων-ματρίδων ενισχυμένα με μη μεταλλικά γεμιστικάΗ μελέτη αυτή περιλαμβάνει μελέτες που αφορούν την παραγωγή και την παραγωγή αλκοολικών υλικών, όπως οι σύνθετες ύλες AlN/Al, TiB2/Mg, SiC/Al και οι σύνθετες ύλες διαμάντι/ χαλκού.το σύνθετο διαμάντι/ χαλκό παρασκευάζεται σε υψηλότερη θερμοκρασίαΗ προφανής έλλειψη συμμόρφωσης θερμικής διαστολής είναι εύκολο να δημιουργήσει θερμική πίεση στην κατάσταση τράβηξης της διαμαντένιας/χαλκού διεπαφής,που οδηγεί σε απότομη μείωση της προσκόλλησης της διεπαφής και ακόμη και αποτυχία της διεπαφής.

Με άλλα λόγια, η χημική κατάσταση της διασύνδεσης καθορίζει το θεωρητικό δυναμικό της αντοχής του δεσμού της διασύνδεσης,και η θερμική ασυμφωνία καθορίζει το βαθμό μείωσης της αντοχής των δεσμών μεταξύ των επιφανειών μετά την προετοιμασία υψηλής θερμοκρασίας του σύνθετου υλικούΩς εκ τούτου, η τελική δύναμη δέσμευσης διεπαφής είναι το αποτέλεσμα του παιχνιδιού μεταξύ των δύο παραπάνω παραγόντων.Οι περισσότερες τρέχουσες μελέτες επικεντρώνονται στη βελτίωση της αντοχής σύνδεσης των διεπαφών με την προσαρμογή της χημικής κατάστασης της διεπαφήςΩστόσο, η μείωση της αντοχής των δεσμών των διεπαφών που προκαλείται από σοβαρή θερμική ασυμφωνία δεν έχει δοθεί επαρκής προσοχή.

Ασφαλές πείραμα

Όπως φαίνεται στο σχήμα (α) κατωτέρω, η διαδικασία προετοιμασίας αποτελείται από τρία κύρια στάδια.Η επιφάνεια των σωματιδίων διαμαντιού περιβάλλεται από μια εξαιρετικά λεπτή επίστρωση Ti με ονομαστικό πάχος 70nm (μοντέλοΗ υψηλής καθαρότητας πλάκα τιτανίου (καθαρότητα: 99.99%) χρησιμοποιείται ως στόχος του τιτανίου (υπόβλητο)Το πάχος της επίστρωσης τιτανίου ελέγχεται με τον έλεγχο του χρόνου αποθέσεως.Η τεχνολογία περιστροφής του υποστρώματος χρησιμοποιείται για την έκθεση όλων των επιφανειών των διαμαντιδίων σε ατμόσφαιρα ψεκασμού., και το στοιχείο Ti αποθηκεύεται ομοιόμορφα σε όλα τα επιφανειακά επίπεδα των διαμαντιδίτικων σωματιδίων (που περιλαμβάνουν κυρίως δύο πλευρές: (001) και (111)).Το αλκοόλ 10 wt% προστίθεται στη διαδικασία υγρής ανάμειξης για να καταστεί τα σωματίδια διαμαντιού ομοιόμορφα κατανεμημένα στη μήτρα χαλκού. Καθαρή σκόνη χαλκού (καθαρότητα: 99,85wt%, μέγεθος σωματιδίων: 5 ~ 20μm, China Zhongnuo Advanced Material Technology Co., LTD.) και υψηλής ποιότητας μονοκρυσταλλικά διαμαντένια σωματίδια χρησιμοποιούνται ως μήτρα (55vol%) και ενίσχυση (45vol%)Τέλος, η αλκοόλη στο προεπιμετωπισμένο σύνθετο απομακρύνεται με υψηλό κενό 10-4Pa,και στη συνέχεια το σύνθετο χαλκού και διαμαντιού συμπυκνώνεται με μεταλλουργία σκόνης (συντρίωση πλάσματος σπινθήρα), SPS).

(α) Σχεδιακό διάγραμμα της διαδικασίας προετοιμασίας διαμαντινών/σύνθετων χαλκού

Στην διαδικασία προετοιμασίας SPS, προτείνουμε καινοτόμα μια διαδικασία συγκόλλησης χαμηλής θερμοκρασίας υψηλής πίεσης (LTHP) και τη συνδυάζουμε με την τροποποίηση της διεπαφής μιας υπεραπλής επικάλυψης (70nm).Για να μειωθεί η εισαγωγή θερμικής αντοχής της ίδιας της επικάλυψηςΓια σύγκριση, προετοιμάσαμε επίσης τα σύνθετα χρησιμοποιώντας την παραδοσιακή διαδικασία συγκόλλησης υψηλής θερμοκρασίας χαμηλής πίεσης (HTLP).Η διαδικασία συγκόλλησης HTLP είναι μια παραδοσιακή σύνθεση που έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως σε εργασίες που έχουν αναφερθεί προηγουμένως για την ενσωμάτωση διαμαντιού και χαλκού σε πυκνά σύνθεταΗ διαδικασία HTLP χρησιμοποιεί συνήθως υψηλή θερμοκρασία συντρίψεως > 900°C (κοντά στο σημείο τήξης του χαλκού) και χαμηλή πίεση συντρίψεως ~ 50MPa.η θερμοκρασία συγκόλλησης είναι σχεδιασμένη να είναι 600°CΤαυτόχρονα, με την αντικατάσταση του παραδοσιακού καλούπιας γραφίτη με ένα καλούπια καρβιδίου τσιμέντου, η πίεση συγκόλλησης μπορεί να αυξηθεί σημαντικά σε 300MPa.Ο χρόνος συγκόλλησης των δύο προαναφερθέντων διαδικασιών είναι 10 λεπτά.Στο συμπληρωματικό υλικό, έχουμε κάνει μια συμπληρωματική εξήγηση σχετικά με την βελτιστοποίηση των παραμέτρων της διαδικασίας LTHP.Οι λεπτομερείς πειραματικές παραμέτρους για τις διάφορες διεργασίες (LTHP και HTLP) παρουσιάζονται στο σχήμα (β) παραπάνω..

Συμπεράσματα

Η παραπάνω έρευνα έχει ως στόχο να ξεπεράσει αυτές τις προκλήσεις και να διευκρινίσει τους μηχανισμούς για τη βελτίωση της απόδοσης μεταφοράς θερμότητας των διαμαντινών/συμμελισμάτων χαλκού.

1Μια νέα ολοκληρωμένη στρατηγική αναπτύχθηκε για να συνδυαστεί η τροποποίηση της υπεραπλής διεπαφής με τη διαδικασία συγκόλλησης LTHP.Το παραγόμενο σύνθετο διαμάντι/ χαλκό επιτυγχάνει υψηλή τιμή k 763W/mK και τιμή CTE μικρότερη από 10ppm/KΤαυτόχρονα, μπορεί να επιτευχθεί υψηλότερη τιμή k σε μικρότερο όγκο διαμαντιού (45%, σε σύγκριση με 50%-70% στις παραδοσιακές διαδικασίες μεταλλουργίας σκόνης),που σημαίνει ότι τα έξοδα μπορούν να μειωθούν σημαντικά με τη μείωση της περιεκτικότητας σε διαμαντένια γεμιστικά.

2Μέσω της προτεινόμενης στρατηγικής, η λεπτή δομή της διεπαφής χαρακτηρίζεται ως διαμαντένια /TiC/CuTi2/Cu στρωμένη δομή, η οποία μειώνει σημαντικά το πάχος των διαστημάτων μετάβασης σε ~ 100nm,πολύ μικρότερα από τα εκατοντάδες νανομέτρα ή ακόμη και μερικά μικρομέτρα που χρησιμοποιούνταν προηγουμένωςΩστόσο, λόγω της μείωσης της θερμικής ζημίας κατά τη διάρκεια της διαδικασίας προετοιμασίας, η αντοχή του δεσμού μεταξύ των επιφανειών βελτιώνεται ακόμη στο επίπεδο του συνδυαστικού δεσμού,και η ενέργεια δεσμού μεταξύ των επιφανειών είναι 30,661J/m2.

3Λόγω του εξαιρετικά λεπτού πάχους, το προσεκτικά κατασκευασμένο σάντουιτς μετάβασης διαμαντιού / χαλκού έχει χαμηλή θερμική αντοχή.Τα αποτελέσματα προσομοίωσης MD και Ab-initio δείχνουν ότι η διεπαφή διαμάντι/καρβιδίου τιτανίου έχει καλή αντιστοιχία ιδιοτήτων φωνόνων και εξαιρετική ικανότητα μεταφοράς θερμότητας (G> 800MW/m2K)Ως εκ τούτου, τα δύο πιθανά εμπόδια μεταφοράς θερμότητας δεν αποτελούν πλέον τους περιοριστικούς παράγοντες στην διεπαφή διαμάντι/ χαλκού.

4Η αντοχή του συνδέσμου διασύνδεσης βελτιώνεται αποτελεσματικά στο επίπεδο του συνδυαστικού δεσμού.Το αποτέλεσμα είναι μια εξαιρετική ισορροπία μεταξύ των δύο βασικών παραγόντων.Η ανάλυση δείχνει ότι η ταυτόχρονη βελτίωση αυτών των δύο βασικών παραγόντων είναι ο λόγος για την εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα των διαμαντινών/χαλκού.