วัสดุประกอบเพชร/ทองแดง พินทะลุข้อจํากัด

ด้วยการลดขนาดต่อเนื่อง, การบูรณาการ และความสามารถสูงของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทันสมัยและอิเล็กทรอนิกส์พลังงาน ความหนาแน่นของพลังงานที่เพิ่มขึ้นได้นําไปสู่ความร้อน Joule ที่รุนแรงและอุปกรณ์อุณหภูมิสูงการจัดการความร้อนที่มีประสิทธิภาพได้กลายเป็นปัญหาสําคัญในสินค้าอิเล็กทรอนิกส์ เพื่อบรรเทาปัญหานี้การบูรณาการวัสดุการจัดการความร้อนที่ทันสมัยในองค์ประกอบอิเล็กทรอนิกส์สามารถเพิ่มความสามารถในการระบายความร้อนของพวกเขาได้อย่างมาก.

เพชรมีคุณสมบัติทางความร้อนที่ดีมาก โดยแสดงความสามารถในการนําความร้อนแบบไอโซโทรปิกสูงสุด (k = 2300 W/mK) ในหมู่วัสดุที่หลอมและมีสัดส่วนการขยายความร้อนที่ต่ํามาก (CTE = 1 ppm/K) ในอุณหภูมิห้อง. 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.

อย่างไรก็ตาม มีความแตกต่างที่น่าสังเกตระหว่างเพชรและทองแดงในหลายด้านด้านการทํางาน รวมถึง แต่ไม่จํากัดกับ CTE (ที่มีความแตกต่างที่สําคัญในลําดับขนาดตามที่แสดงในรูป (a)) และความใกล้ชิดทางเคมี (พวกมันไม่สามารถผสมผสานกันได้ และไม่ผ่านปฏิกิริยาทางเคมี)ตามที่แสดงในรูป (b)

ความไม่เหมาะสมเหล่านี้ต้องนําไปสู่ความแข็งแรงในการเชื่อมโยงที่ต่ําของเพชร / ทองแดงประกอบในระหว่างกระบวนการผลิตหรือการบูรณาการในอุณหภูมิสูงและความเครียดทางความร้อนที่สูงในอินเตอร์เฟซเพชร / ทองแดงส่งผลว่าผสมเพชร / ทองแดงมีความชุ่มชื่นต่อการแตกแยกซึ่งลดความสามารถในการนําไฟได้อย่างมาก (เมื่อเพชรและทองแดงถูกผูกตรงกันค่า k ของมันสามารถต่ํากว่าของทองแดงบริสุทธิ์มากแม้จะต่ํากว่า 200 W/mK)

ปัจจุบันวิธีการปรับปรุงหลัก ๆ ประกอบด้วยการปรับปรุงทางเคมีของอินเตอร์เฟซเพชร / เพชรโดยการสกัดโลหะหรือการทําโลหะผิวชั้นแลกเปลี่ยนที่สร้างขึ้นที่อินเตอร์เฟซสามารถเพิ่มความแข็งแรงการผูกพันอินเตอร์เฟส, และชั้นระหว่างที่หนากว่าค่อนข้างจะมีประโยชน์ในการต่อต้านการแตกแยกระหว่างทาง.ความหนาของชั้นระหว่างต้องอยู่ในลําดับของร้อยๆ นาโนเมตร หรือแม้แต่ไมโครเมตร. อย่างไรก็ตามชั้นแลกเปลี่ยนที่อยู่ระหว่างเพชรและทองแดง เช่น คาร์บิด (เช่น TiC, ZrC, Cr3C2) แสดงความสามารถในการนําความร้อนภายในที่ต่ํากว่า (< 25 W/mK)อุปกรณ์ประกอบการประกอบการประกอบการจากมุมมองของการปรับปรุงประสิทธิภาพการถ่ายทอดความร้อนระหว่างผิว มันจําเป็นที่จะลดความหนาของชั้นระหว่างการเปลี่ยนแปลงให้น้อยที่สุดความสามารถในการนําไฟทางผิว (G_cu-diamond) สัดส่วนกลับกันกับความหนาระหว่างชั้น (d).

ขณะที่ชั้นระหว่างการเปลี่ยนแปลงที่หนากว่าจะช่วยเพิ่มความแข็งแรงในการผูกผูกผูกผูกผูกความต้านทานทางความร้อนที่มากเกินไปของชั้นระหว่างบกพร่องการถ่ายทอดความร้อนผ่านอินเตอร์เฟสดังนั้น 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.

สถานะเคมีของอัตราการเชื่อมต่อกําหนดความแข็งแรงของการเชื่อมต่อระหว่างวัสดุที่ไม่เหมือนกัน เช่นสายพันธุ์ทางเคมีแข็งแรงกว่าแรงแวนเดอร์วัลส์ หรือสายพันธุ์ไฮโดรเจนในอีกด้านหนึ่งความไม่ตรงกันระหว่างการขยายความร้อนในทั้งสองด้านของอินเตอร์เฟซ (T ตัวแทนของ CTE และอุณหภูมิ) เป็นปัจจัยสําคัญอีกอย่างที่ส่งผลต่อความแข็งแรงในการผูกของประกอบเพชร/ทองแดงดังที่แสดงในรูป (a) มีความแตกต่างที่สําคัญในลําดับขนาดของสัมพันธ์การขยายความร้อนระหว่างเพชรและทองแดง

โดยทั่วไปความไม่เหมาะสมของการขยายความร้อนเป็นปัจจัยสําคัญที่ส่งผลต่อผลงานของผสมผสมหลายอย่าง เพราะความหนาแน่นของการขัดแย้งรอบตัวเครื่องเติมเพิ่มขึ้นอย่างสําคัญระหว่างการเย็นโดยเฉพาะในคอมพอไซต์เมทริกซ์โลหะที่เสริมด้วยสารเติมที่ไม่ใช่โลหะ เช่น คอมพอไซต์ AlN/Al คอมพอไซต์ TiB2/Mg คอมพอไซต์ SiC/Al และคอมพอไซต์เพชร/ทองแดงที่ศึกษาในงานนี้.นอกจากนี้ อุณหภูมิในการปรุงผสมเพชร/ทองแดงก็ค่อนข้างสูง โดยปกติจะเกิน 900 °C ในกระบวนการปกติความไม่เหมาะสมในการขยายความร้อนที่สําคัญสามารถสร้างความเครียดทางความร้อนได้ง่ายในสภาพยืดที่อัตราต่อรองเพชร / ทองแดง, ส่งผลให้มีการลดลงอย่างคมชัดของความติดต่อกับผิว และแม้กระทั่งความล้มเหลวของผิว.

หมายความว่า สภาพเคมีของอินเตอร์เฟสนั้นจะกําหนดศักยภาพทางทฤษฎีของความแข็งแรงในการผูกพันขณะที่ความไม่เหมาะสมทางความร้อนกําหนดระดับการลดความแข็งแรงในการผูกผูกผิวหลังการผลิตผสมความร้อนสูงดังนั้นความแข็งแรงของสายผูกส่วนสุดท้ายคือผลของการปฏิกิริยาระหว่างปัจจัยทั้งสองการศึกษาในปัจจุบันส่วนใหญ่เน้นการปรับปรุงความแข็งแรงในการผูกพันระหว่างผิว โดยการปรับสภาพเคมีของ, เช่นผ่านประเภท ความหนา และรูปร่างของชั้นระหว่างการเปลี่ยนแปลงการลดความแข็งแรงในการผูกผูกผิว เนื่องจากความไม่เหมาะสมทางความร้อนที่รุนแรงที่จุดผูกผิว ยังไม่ได้ได้รับความสนใจเพียงพอ.

กระบวนการเตรียมการ ดังที่แสดงในรูป (a) ประกอบด้วย 3 ขั้นตอนหลักความหนาตามนามหมาย 70 nm ของเคลือบไทเทเนียม (Ti) ละอ่อนถูกฝากบนผิวของอนุภาคเพชร (แบบ: HHD90, ขนาดตา: 60/70, Huanghe Whirlwind Co., Ltd., Henan, จีน) โดยใช้กระจายแม็กเนตรอนความถี่วิทยุที่ 500 °C เป้าหมายไทเทเนียมความบริสุทธิ์สูง (ความบริสุทธิ์: 99.99%) ใช้เป็นวัสดุแหล่ง, และก๊าซอาร์กอน (ความบริสุทธิ์: 99.995%) เป็นก๊าซที่กระจายใช้เทคนิคการหมุนสับสราท, ทําให้พื้นผิวของอนุภาคเพชรทั้งหมดถูกเผยแพร่ต่อบรรยากาศที่กระจายรับรองว่าธาตุ Ti ถูกฝากในระดับเดียวกันบนระดับพื้นผิวทั้งหมดของอนุภาคเพชร (ส่วนใหญ่รวมถึงสองประเภทของด้าน: (001) และ (111))

ครั้งที่สอง, ในระหว่างกระบวนการผสมแบบเปียก, อัลโคฮอลล์ 10 wt% จะเพิ่มขึ้นเพื่อให้แน่ใจว่าการกระจายกระจายของอนุภาคเพชรในเมทริกซ์ทองแดงขนาดอนุภาค: 5?? 20 μm, Zhongnuo Advanced Materials Technology Co., Ltd., จีน) และอนุภาคเพชรระกูลเดียวที่มีคุณภาพสูงถูกใช้เป็นเมทริกซ์ (55 vol%) และเฟสเสริม (45 vol%),ตามลําดับ.

ในที่สุดแอลกอฮอล์ถูกถอนออกจากวัสดุประกอบที่ถูกกดก่อนในระดับความว่างสูง 10^-4 Paและวัสดุประกอบทองแดง-เพชรถูกบดด้วยวิธีการทําโลหะปูนข้น (การซินเตอร์พลาสมาสการ์), SPS)

ในกระบวนการเตรียม SPS เราได้นําเสนอทางนวัตกรรมเทคนิคการซินเตอร์ความร้อนต่ําและความดันสูง (LTHP) ร่วมกับการปรับปรุงอัตราต่อเนื่องบาง (70 nm)เพื่อลดความต้านทานทางความร้อนที่นํามาโดยการเคลือบด้วยตัวเอง, การปรับปรุงผิวหน้าชั้นบาง (70 nm) ได้ถูกใช้.เพื่อเปรียบเทียบ, เรายังเตรียมวัสดุประกอบโดยใช้กระบวนการปรับปรุงความร้อนที่สูงและความดันต่ํา (HTLP) แบบดั้งเดิมเทคนิค HTLP sintering เป็นวิธีการปกติที่ใช้อย่างมากในงานที่ผ่านมาเพื่อบูรณาการเพชรและทองแดงในผสมผสมหนากระบวนการ HTLP นี้โดยทั่วไปใช้อุณหภูมิการปะทะสูงกว่า 900 ° C (ใกล้จุดละลายของทองแดง) และความดันปะทะต่ําประมาณ 50 MPaอุณหภูมิการซินเตอร์ตั้งอยู่ที่ 600°Cในขณะเดียวกัน โดยการแทนรูปแบบกราฟิตแบบดั้งเดิมด้วยรูปแบบสับสนธิแข็งความดันซินเตอร์สามารถเพิ่มขึ้นอย่างมากถึง 300 MPa. เวลาซินเตอร์สําหรับกระบวนการทั้งสองครั้งคือ 10 นาที รายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับการปรับปรุงปริมาตรกระบวนการ LTHP ได้ให้ในวัสดุเสริมปริมาตรการทดลองสําหรับกระบวนการต่าง ๆ (LTHP และ HTLP) แสดงอยู่ในรูป (b).

สรุปจากการวิจัยด้านบนมีเป้าหมายที่จะแก้ปัญหาเหล่านี้ และอธิบายกลไกในการปรับปรุงคุณสมบัติการขนย้ายความร้อนของผสมเพชร / ทองแดง:

1. ได้พัฒนากลยุทธ์การบูรณาการใหม่ที่รวมการปรับปรุงอินเตอร์เฟซ ultra-thin กับกระบวนการ sintering LTHPผลรวมเพชร / ทองแดงที่ได้รับมูลค่าการนําแสงความร้อนสูง (k) 763 W / mK, มีค่าสัมพันธ์การขยายความร้อน (CTE) ต่ํากว่า 10 ppm/K. นอกจากนี้ค่า k สูงได้รับแม้กระทั่งในส่วนปริมาณของเพชรที่ต่ํากว่า (45% เมื่อเทียบกับ 50%-70% ที่เป็นปกติในกระบวนการทําโลหะฝุ่นประจํา)ซึ่งแสดงให้เห็นว่า ค่าใช้จ่ายสามารถลดลงได้อย่างมาก โดยการลดปริมาณของเพชร

2. ผ่านกลยุทธ์ที่เสนอไว้ โครงสร้างอินเตอร์เฟซที่ละเอียดถูกระบุว่าเป็นโครงสร้างชั้นของเพชร / TiC / CuTi2 / Cuซึ่งลดความหนาของชั้นเปลี่ยนเป็นประมาณ 100 nm, น้อยกว่าหลายร้อยนาโนเมตรหรือแม้แต่ไมโครเมตรที่ใช้มาก่อน แต่เนื่องจากการเสียหายจากการกระตุ้นทางความร้อนที่ลดลงระหว่างกระบวนการเตรียมความแข็งแรงของการเชื่อมต่อระหว่างส่วนผ่ายังคงเพิ่มขึ้นถึงระดับของพันธะสัมพันธ์, ด้วยพลังงานการผูกพันระหว่าง 3.661 J/m2

3. เนื่องจากลักษณะที่บางมาก ผิวแลกเปลี่ยนระหว่างเพชรและทองแดง ที่ถูกออกแบบอย่างรอบคอบ 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)ดังนั้นสองข้อขัดขวางในการถ่ายทอดความร้อนที่อาจเกิดขึ้น ไม่ได้เป็นปัจจัยจํากัดต่ออัตราต่อรองเพชร/ทองแดงอีกต่อไป

ความแข็งแรงของการเชื่อมต่อระหว่างทางได้เพิ่มขึ้นอย่างมีประสิทธิภาพถึงระดับการเชื่อมโยง covalent แต่ความสามารถในการถ่ายทอดความร้อนระหว่างทาง (G = 93.5 MW / m2K) ยังคงไม่ถูกกระทบการบรรลุสมดุลที่ดี ระหว่างปัจจัยสําคัญสองอย่างนี้การวิเคราะห์ชี้ให้เห็นว่าการปรับปรุงปัจจัยสําคัญสองอย่างนี้พร้อมกันเป็นเหตุผลของการนําไฟที่สูงกว่าของประกอบเพชร / ทองแดง

 

การ แก้ไข ของ ZMSH

สับสราททองแดง วอฟเฟอร์ Cu กระจกกระจกเดียว 5x5x0.5/lmm 10x10x0.5/1mm 20x20x0.5/1mm a=3.607A

Al สารสับสไตล์เดียว อลูมิเนียม สารสับสไตล์ความบริสุทธิ์ 99/99% 5×5×1/0.5 มิลลิเมตร 10×10×1/0.5 20x20x0.5/1 มิลลิเมตร