С постоянной миниатюризацией, интеграцией и высокой производительностью современных электронных устройств, включая вычислительные системы, 5G/6G, батареи,и силовой электроники, увеличивающаяся плотность мощности привела к сильному нагреву в джоуле и высоким температурам внутри устройств.Это приводит к снижению производительности и отказу устройства. Эффективное тепловое управление стало важной проблемой в электронных продуктах.интеграция передовых материалов теплового управления в электронные компоненты может значительно улучшить их способность рассеивания тепла.
Бриллианты обладают отличными тепловыми свойствами, демонстрируя самую высокую изотропную теплопроводность (k = 2300 W/mK) среди всех сыпучих материалов,и имеют чрезвычайно низкий коэффициент теплового расширения (CTE = 1 ppm/K) при комнатной температуре. 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.
Тем не менее, существуют значительные несоответствия между алмазом и меди во многих аспектах производительности, включая, но не ограничиваясь CTE (с значительным различием в порядке величины,как показано на рисунке (а)) и химическое сродство (они не смешиваются и не подвергаются химическим реакциям, как показано на рисунке (b).
Эти несоответствия неизбежно приводят к низкой устойчивости к склеиванию алмазных/медных композитов во время высокотемпературных производственных или интеграционных процессов.а также высокая тепловая нагрузка на диаманте/медь интерфейсСледовательно, композиты алмаз/медь подвержены трещинам на интерфейсе, что значительно снижает теплопроводность (когда алмаз и медь напрямую связаны,их значение k может быть намного ниже, чем у чистой меди, даже ниже 200 Вт/мК).
В настоящее время основным методом совершенствования является химическая модификация интерфейса алмаз/алмаз путем сплава металла или металлизации поверхности.Переходный промежуточный слой, сформированный на интерфейсе, может повысить прочность связывания интерфейса, и относительно более толстый промежуточный слой более полезен в противодействии трещинам интерфейсов.толщина межслоя должна быть порядка сотен нанометров или даже микрометровОднако переходные межслои на диаманте/медь интерфейс, такие как карбиды (например, TiC, ZrC, Cr3C2), демонстрируют более низкую внутреннюю теплопроводность (< 25 W/mK),несколько порядков меньше, чем у алмазов или медиС точки зрения повышения эффективности теплопередачи на поверхности необходимо свести к минимуму толщину переходного промежуточного слоя, поскольку согласно модели теплового сопротивлениятеплопроводность интерфейса (G_cu-diamond) пропорциональна толщине межслоя (d).
В то время как относительно более толстый переходный промежуточный слой помогает улучшить прочность связывания на интерфейсе алмаз / алмаз,чрезмерное тепловое сопротивление промежуточного слоя препятствует передаче тепла через интерфейсПоэтому, 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.
Химическое состояние интерфейса определяет прочность связывания между гетерогенными материалами.Химические связи значительно сильнее сил ван дер Ваальса или водородных связейС другой стороны,несовместимость теплового расширения с обеих сторон интерфейса (где T представляет собой CTE и температуру) является еще одним критическим фактором, влияющим на прочность связывания композитов алмаз/медКак показано на рисунке (а), существует значительная разница в порядке величины коэффициентов теплового расширения между алмазом и меди.
В общем,Несоответствие теплового расширения всегда было ключевым фактором, влияющим на производительность многих композитов, поскольку плотность дислокации вокруг наполнителя значительно увеличивается во время охлаждения, особенно в металлических матричных композитах, усиленных неметаллическими наполнителями, таких как композиты AlN/Al, TiB2/Mg, SiC/Al, и алмазные/медные композиты, изученные в данной работе..Кроме того, температура приготовления алмазных/медных композитов относительно высока, обычно превышает 900 °C в обычных процессах.Значительное несоответствие теплового расширения может легко создать тепловое напряжение в состоянии растяжения на диаманте/медь интерфейс, что приводит к резкому снижению сцепления с интерфейсом и даже к отказу интерфейса.
Другими словами, химическое состояние интерфейса определяет теоретический потенциал прочности сцепления интерфейса,в то время как тепловое несоответствие диктует степень уменьшения прочности сцепления между поверхностями после высокотемпературного производства композитовТаким образом, окончательная прочность связей между поверхностями является результатом взаимодействия этих двух факторов.большинство современных исследований сосредоточены на улучшении прочности связывания между поверхностями путем корректировки химического состояния интерфейса, например, через тип, толщину и морфологию переходного промежуточного слоя.Уменьшение прочности сцепления между поверхностями из-за серьезного теплового несоответствия на интерфейсе еще не получило достаточного внимания.
Процесс подготовки, как показано на рисунке (а), включает три основных этапа.на поверхности частиц алмаза откладывается тонкое титановое (Ti) покрытие номинальной толщиной 70 нм (модель: HHD90, размер решетки: 60/70, Huanghe Whirlwind Co., Ltd., Хэнань, Китай) с использованием радиочастотного магниторонного распыливания при 500°C. Высокочистые титановые цели (чистота: 99.99%) используются в качестве исходного материалаВ процессе осаждения толщина Ти-покрытия контролируется путем регулирования времени осаждения.используется техника вращения подложки, позволяя всем поверхностям алмазных частиц подвергаться воздействию атмосферы распыления,обеспечение равномерного отложения элемента Ти на всех поверхностных плоскостях алмазных частиц (в основном, включая два типа фасетов): (001) и (111)).
Во-вторых, во время процесса влажного смешивания добавляется 10 мас. % алкоголя, чтобы обеспечить равномерное распределение алмазных частиц в матрице меди.размер частиц: 5 ‰ 20 мкм, Zhongnuo Advanced Materials Technology Co., Ltd., China) и высококачественные однокристаллические алмазные частицы используются в качестве матрицы (55 объёмных процентов) и фазы усиления (45 объемных процентов),соответственно.
Наконец, из предварительно прессованного композитного материала спирт удаляется в высоком вакууме 10^-4 Pa,и медно-бриллиантовый композитный материал сгущается методами порошковой металлургии (свинцовое плазменное спекание), SPS).
В процессе подготовки SPS мы новаторски предложили технологию низкотемпературного высокого давления (LTHP), объединив ее с модификацией тонкого интерфейса (70 нм).Для уменьшения теплового сопротивления, введенного самим покрытиемДля сравнения, мы также подготовили композитные материалы, используя традиционный процесс высокотемпературного низкого давления (HTLP).Техника синтеза HTLP - это обычный метод, широко используемый в предыдущих работах по интеграции алмаза и меди в плотные композитыЭтот процесс HTLP обычно использует высокую температуру сфинтерации более 900 °C (близкую к точке плавления меди) и низкое давление сфинтерации около 50 МПа.температура сфинтерации устанавливается на 600°CВ то же время, заменив традиционные графитовые формы формами из твердого сплава,давление синтерации может быть значительно увеличено до 300 МПаДополнительные подробности об оптимизации параметров процесса LTHP приведены в дополнительных материалах.Экспериментальные параметры для различных процессов (LTHP и HTLP) показаны на рисунке (b)..
Выводы вышеуказанного исследования направлены на преодоление этих проблем и выяснение механизмов улучшения теплотранспортных свойств алмазных/медных композитов:
-
Была разработана новая стратегия интеграции, которая сочетает в себе модификацию сверхтонкого интерфейса с процессом сфинтерации LTHP.Полученный алмазный/медный композит достиг высокой теплопроводности (k) 763 Вт/мК, с коэффициентом теплового расширения (CTE) менее 10 ppm/K. Кроме того,высокое значение k было получено даже при меньшей объемной доле алмаза (45% по сравнению с 50%-70% типичным для обычных процессов порошковой металлургии), что указывает на то, что затраты могут быть значительно снижены за счет уменьшения количества алмазного наполнителя.
-
В рамках предложенной стратегии уточненная структура интерфейса была охарактеризована как слойная структура алмаза/TiC/CuTi2/Cu,который значительно уменьшил толщину переходного слоя примерно до 100 нмОднако из-за уменьшения теплового ущерба в процессе приготовленияпрочность связывания интерфейса все еще была повышена до уровня ковалентных связей, с энергией связывания интерфейса 3,661 J/m2.
-
Из-за своей ультратонкой природы, тщательно выполненный переходный слой диамантово-медной интерфейс демонстрирует низкое тепловое сопротивление. 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)Таким образом, два потенциальных узких места для теплопередачи больше не являются ограничительными факторами для диамантово-медного интерфейса.
Сила связывания интерфейса эффективно увеличилась до уровня ковалентных связей. Однако способность теплопередачи интерфейса (G = 93,5 МВт/м2К) оставалась без изменений,достижение превосходного баланса между этими двумя критическими факторамиАнализы показывают, что одновременное улучшение этих двух ключевых факторов является причиной превосходной теплопроводности алмазных/медных композитов.
Решение ZMSH
Медная субстрат однокристаллическая Cu пластина 5x5x0.5/lmm 10x10x0.5/1mm 20x20x0.5/1mm a=3.607A
Al субстрат однокристаллический Алюминиевый субстрат чистота 99/99% 5×5×1/0,5 мм 10×10×1/0,5 20x20x0,5/1 мм
Ваше сообщение должно содержать от 20 до 3000 символов!