Diamant-Kupfer-Verbundmaterial, brechen Sie die Grenze!
Mit der kontinuierlichen Miniaturisierung, Integration und hohen Leistung moderner elektronischer Geräte, einschließlich Computing, 5G/6G, Batterien und Leistungselektronik,die zunehmende Leistungsdichte führt zu starker Joule Hitze und hohen Temperaturen in den GerätekanälenDies wird gefolgt von Leistungsabnahme und Geräteversagen.Die Integration fortschrittlicher Wärmemanagementmaterialien in elektronische Geräte kann ihre Wärmeabflussfähigkeit erheblich verbessern.
Diamant hat ausgezeichnete thermische Eigenschaften, die höchste isotrope Wärmeleitfähigkeit aller Schüttgutmaterialien (k= 2300 W/mK),und hat einen extrem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten bei Raumtemperatur (CTE=1ppm/K). Diamantpartikelverstärkte Kupfermatrix-Verbundwerkstoffe (Diamant/Kupfer) als eine neue Generation von Materialien für die thermische Verwaltung,haben aufgrund ihres potenziell hohen k-Wertes und ihrer verstellbaren CTE große Aufmerksamkeit erhalten..
Es gibt jedoch erhebliche Abweichungen zwischen Diamanten und Kupfer in vielen Eigenschaften, einschließlich, aber nicht beschränkt auf CTE (ein deutlicher Unterschied in der Größenordnung,wie in Abbildung a) gezeigt) und chemische Affinität (keine feste Lösung), keine chemische Reaktion, wie in Abbildung (b) dargestellt).
Signifikante Leistungsunterschiede zwischen Kupfer und Diamant (a) Wärmeleitungskoeffizient (CTE) und (b) Phasendiagramm
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 compositesDies führt dazu, daß sich Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoffe unweigerlich mit Schnittstellen-Rissproblemen konfrontiert sehen, und die Wärmeleitfähigkeit wird stark reduziert (wenn Diamant und Kupfer direkt kombiniert werden, wird die Wärmeleitfähigkeit erheblich verringert).Der Wert k ist sogar viel niedriger als bei reinem Kupfer (< 200 W/mK).
Derzeit besteht die Hauptverbesserungsmethode darin, die Diamant-Diamant-Schnittstelle chemisch durch Metalllegierung oder Oberflächenmetallisierung zu modifizieren.Die auf der Schnittstelle gebildete Übergangsschicht verbessert die Schnittstellenbindungskraft, und die relativ dicke Zwischenschicht ist besser geeignet, dem Riss der Schnittstelle standzuhalten.Die Dicke der Zwischenschicht muss Hunderte von Nanometern oder sogar Mikrometer betragen.Übergangsschichten an der Diamant/Kupfer-Schnittstelle, wie z.B. Karbid (TiC, ZrC, Cr3C2, etc.), weisen jedoch eine geringere thermische Eigenleitfähigkeit auf (< 25 W/mK,mehrere Größenordnungen kleiner als Diamant oder Kupfer)Aus der Sicht der Verbesserung der Wärmeabbaueffizienz der Schnittstelle ist es notwendig, die Dicke des Übergangssandwichs zu minimieren,Denn nach dem Modell der Wärmewiderstandsreihe, ist die Wärmeleitfähigkeit der Schnittstelle (G Kupfer-Diamant) umgekehrt proportional zur Dicke des Sandwiches (d):
Die relativ dicke Übergangsschicht trägt zur Verbesserung der Schnittstellenbindungskraft der Schnittstelle Diamant/Diamant bei.aber die übermäßige Wärmebeständigkeit der Zwischenschicht fördert nicht die Wärmeübertragung an der SchnittstelleDaher 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.
Der chemische Zustand der Schnittstelle bestimmt die Bindungsfestigkeit zwischen heterogenen Materialien.Chemische Bindungen sind viel höher als die Van der Waals-Kräfte oder WasserstoffbindungenAuf der anderen Seite ist die thermische Expansionsunterschiede zwischen den beiden Seiten der Schnittstelle (wo T sich auf CTE und Temperatur bezieht,Die Anwendungsdauer von Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoffen beträgt ca.Wie in Abbildung (a) dargestellt, unterscheiden sich die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Diamanten und Kupfer eindeutig in Größenordnung.
Im Allgemeinen waren thermische Expansionsunterschiede ein Schlüsselfaktor, der die Leistung vieler Verbundwerkstoffe beeinflusst, da die Dichte der Verlagerungen um die Füllstoffe während der Kühlung signifikant ansteigt,vor allem in mit nichtmetallischen Füllstoffen verstärkten Metallmatrixverbundwerkstoffen. wie AlN/Al-Verbundwerkstoffe, TiB2/Mg-Verbundwerkstoffe, SiC/Al-Verbundwerkstoffe und Diamant/Kupfer-Verbundwerkstoffe, die in dieser Arbeit untersucht wurden.Das Diamant-Kupfer-Verbundwerk wird bei höherer Temperatur hergestelltDer offensichtliche thermische Ausdehnungsausfall erzeugt leicht thermische Spannungen im Zugzustand der Diamant-Kupfer-Schnittstelle.Dies führt zu einem starken Rückgang der Schnittstellenhaftung und sogar zu Schnittstellenfehlern.
Mit anderen Worten, der chemische Zustand der Oberfläche bestimmt das theoretische Potenzial der Oberflächenbindung.und die thermische Abweichung bestimmt den Grad der Abnahme der Oberflächenbindungsfestigkeit nach der Hochtemperaturvorbereitung des VerbundmaterialsDaher ist die endgültige Schnittstelle Bindungskraft das Ergebnis des Spiels zwischen den beiden oben genannten Faktoren.Die meisten aktuellen Studien konzentrieren sich auf die Verbesserung der Verbindungsfestigkeit der Schnittstelle durch Anpassung des chemischen Zustands der SchnittstelleDie Verringerung der Schnittstellenbindungsstärke, die durch eine schwere thermische Mismatch verursacht wird, wurde jedoch nicht ausreichend berücksichtigt.
Konkretes Experiment
Wie in Abbildung (a) dargestellt, besteht der Vorbereitungsvorgang aus drei Hauptstufen.Auf der Oberfläche der Diamantpartikel wurde eine ultradünne Ti-Beschichtung mit einer Nenndicke von 70 nm abgelagert (ModellHHD90, Mesh: 60/70, Henan Huanghe Cyclone Co., LTD., China) bei 500°C durch RF-Magnetron-Sputterung.99%) wird als Titan-Ziel verwendet (Quellmaterial)Die Dicke der Titanbeschichtung wird durch die Kontrolle der Ablagerungszeit gesteuert.Die Substrat-Rotationstechnologie wird verwendet, um alle Seiten der Diamantpartikel der Sputteratmosphäre auszusetzen., und das Ti-Element ist auf allen Oberflächenflächen der Diamantpartikel gleichmäßig abgelagert (vor allem zwei Facetten enthalten: (001) und (111)).10 wt% Alkohol wird im nassen Mischverfahren hinzugefügt, um die Diamantpartikel gleichmäßig in der Kupfermatrix verteilt zu machenReines Kupferpulver (Reinheit: 99,85 Watt, Partikelgröße: 5 ~ 20 μm, China Zhongnuo Advanced Material Technology Co., LTD.) und hochwertige Einzelkristalldiamantpartikel als Matrix (55vol%) und Verstärkung (45vol%) verwendet werden.Schließlich wird der Alkohol im vorgepressten Verbundwerkstoff mit einem hohen Vakuum von 10-4 Pa entfernt.und dann wird der Kupfer-Diamant-Verbundwerkstoff durch Pulvermetallurgie verdichtet (Spark-Plasmasintern), SPS).
(a) Schematisches Diagramm des Vorbereitungsprozesses von Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoffen; (b) Verschiedene Sinterprozesse in der SPS-Pulvermetallurgie
Im SPS-Vorbereitungsprozess schlugen wir innovativ ein Low-Temperature-High-Pressure (LTHP) Sinterverfahren vor und kombinierten es mit der Schnittstellenmodifikation einer ultradünnen Beschichtung (70 nm).Zur Verringerung der thermischen Widerstandsfähigkeit der Beschichtung selbstFür den Vergleich haben wir die Verbundwerkstoffe auch mit dem traditionellen Hochtemperatur-Niederdruck-Sinterungsprozess (HTLP) vorbereitet.Das HTLP-Sinterverfahren ist eine traditionelle Formulierung, die in früheren Berichten weit verbreitet wurde, um Diamanten und Kupfer in dichte Verbundwerkstoffe zu integrierenDieses HTLP-Verfahren verwendet typischerweise eine hohe Sintertemperatur von > 900°C (nahe dem Schmelzpunkt von Kupfer) und einen niedrigen Sinterdruck von ~ 50MPa.die Sintertemperatur ist auf 600°C ausgelegtGleichzeitig kann der Sinterdruck durch Ersetzen der traditionellen Graphitform durch eine Zementkarbidform deutlich auf 300 MPa erhöht werden.Die Sinterzeit der beiden oben genannten Verfahren beträgt 10 Minuten.In den ergänzenden Materialien haben wir eine ergänzende Erläuterung zur Optimierung der LTHP-Prozessparameter gegeben.Detaillierte Versuchsparameter für verschiedene Verfahren (LTHP und HTLP) sind in Abbildung b dargestellt..
Schlussfolgerung
Die vorstehende Forschung zielt darauf ab, diese Herausforderungen zu überwinden und die Mechanismen zur Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung von Diamant-/Kupferverbundwerkstoffen aufzuzeigen.
1Es wurde eine neue integrierte Strategie entwickelt, um die Ultrathin-Schnittstellenmodifikation mit dem LTHP-Sinterprozess zu kombinieren.Der erhaltene Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoff erreicht einen hohen k-Wert von 763 W/mK und einen CTE-Wert von weniger als 10 ppm/KGleichzeitig kann ein höherer k-Wert bei einem geringeren Diamantvolumenanteil (45% im Vergleich zu 50%-70% bei herkömmlichen Pulvermetallurgieverfahren) erreicht werden.Dies bedeutet, dass die Kosten erheblich reduziert werden können, indem der Gehalt an Diamantfüllstoffen verringert wird..
2Durch die vorgeschlagene Strategie wird die feine Schnittstellenstruktur als eine Diamant-/TiC/CuTi2/Cu-Schichtstruktur charakterisiert, die die Übergangsschichtdicke erheblich auf ~ 100 nm reduziert.Viel kleiner als die bisher verwendeten Hunderte von Nanometern oder sogar ein paar MikrometerAufgrund der Verringerung der thermischen Belastungsschäden während des Zubereitungsvorgangs wird die Oberflächenbindungsfestigkeit jedoch immer noch auf das Niveau der kovalenten Bindung verbessert.und die Bindungsenergie zwischen den Oberflächen beträgt 3.661J/m2.
3Aufgrund der extrem dünnen Dicke hat das sorgfältig hergestellte Diamant-Kupfer-Schnittstellen-Übergangssandwich eine geringe Wärmebeständigkeit.Die Ergebnisse der MD- und Ab-initio-Simulationen zeigen, dass die Schnittstelle Diamant/Titancarbid eine gute Übereinstimmung der Phonon-Eigenschaften und eine ausgezeichnete Wärmeübertragungskapazität aufweist (G> 800 MW/m2K)Daher sind die beiden möglichen Wärmeübertragungsengpässe nicht länger die einschränkenden Faktoren an der Diamant-Kupfer-Schnittstelle.
4Die Schnittstellenbindungsstärke wird effektiv auf das Niveau der kovalenten Bindung verbessert.Dies führt zu einem ausgezeichneten Gleichgewicht zwischen den beiden wichtigsten Faktoren.Die Analyse zeigt, daß die gleichzeitige Verbesserung dieser beiden Schlüsselfaktoren der Grund für die ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit von Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoffen ist.
