Materiais compostos de diamante/cobre, quebrando limitações!

Com a miniaturização contínua, integração e alto desempenho dos dispositivos eletrónicos modernos, incluindo a computação, 5G/6G, baterias,O aumento da densidade de potência levou a um aquecimento grave em Joule e a temperaturas elevadas dentro dos dispositivos.A gestão térmica eficiente tornou-se um problema significativo nos produtos eletrônicos.A integração de materiais avançados de gestão térmica em componentes eletrónicos pode melhorar significativamente a sua capacidade de dissipação de calor.

Os diamantes possuem excelentes propriedades térmicas, apresentando a maior condutividade térmica isotrópica (k = 2300 W/mK) entre todos os materiais a granel,e têm um coeficiente de expansão térmica extremamente baixo (CTE = 1 ppm/K) à temperatura ambiente. 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.

No entanto, existem desajustes notáveis entre o diamante e o cobre em muitos aspectos de desempenho, incluindo, entre outros, CTE (com uma diferença significativa na ordem de magnitude,como mostrado na figura a) e afinidade química (são immisciveis e não sofrem reacções químicas), tal como ilustrado na figura b).

Estes desajustes levam inevitavelmente à baixa resistência de ligação inerente dos compósitos diamante/cobre durante os processos de fabricação ou integração a altas temperaturas,bem como uma elevada tensão térmica na interface diamante/cobreConsequentemente, os compósitos de diamante/cobre são propensos a fissuras na interface, o que reduz significativamente a condutividade térmica (quando o diamante e o cobre são ligados diretamente, a condutividade térmica é reduzida).o seu valor k pode ser muito inferior ao do cobre puro, mesmo abaixo de 200 W/mK).

Atualmente, o principal método de melhoria envolve a modificação química da interface diamante/diamante através de ligação de metais ou metalização da superfície.A camada de transição formada na interface pode aumentar a resistência de ligação da interface, e uma camada intermédia relativamente mais espessa é mais benéfica na resistência à rachadura da interface.a espessura da camada intermédia deve ser da ordem de centenas de nanômetros ou mesmo de micrômetrosNo entanto, as camadas de transição na interface diamante/cobre, tais como os carburos (por exemplo, TiC, ZrC, Cr3C2), apresentam condutividades térmicas intrínsecas mais baixas (< 25 W/mK),de dimensões inferiores a várias ordens de diamantes ou de cobrePara melhorar a eficiência da transferência de calor entre as superfícies, é essencial reduzir ao mínimo a espessura da camada de transição, porque, segundo o modelo de resistência térmica, a camada de transição não pode ser muito grande.A condutividade térmica da interfaça (G_cu-diamant) é inversamente proporcional à espessura da camada intermédia (d).

Embora uma camada de transição relativamente mais espessa ajude a melhorar a resistência de ligação interfacial na interface diamante / diamante,A resistência térmica excessiva da camada intermédia impede a transferência de calor através da interfacePor conseguinte, 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.

O estado químico da interface determina a força de ligação entre materiais heterogêneos.As ligações químicas são significativamente mais fortes do que as forças de van der Waals ou as ligações de hidrogênioPor outro lado,O desajuste de expansão térmica em ambos os lados da interface (onde T representa CTE e temperatura) é outro fator crítico que afeta a resistência de ligação dos compósitos de diamante/cobreComo se mostra na figura (a), há uma diferença significativa na ordem de magnitude dos coeficientes de expansão térmica entre o diamante e o cobre.

Em geral,A incompatibilidade de expansão térmica sempre foi um fator chave que influencia o desempenho de muitos compósitos porque a densidade de deslocamento ao redor do preenchimento aumenta significativamente durante o resfriamento, especialmente em compósitos de matriz metálica reforçados com enchimentos não metálicos, tais como compósitos AlN/Al, compósitos TiB2/Mg, compósitos SiC/Al e compósitos diamante/cobre estudados neste artigo.Além disso, a temperatura de preparação dos compósitos diamante/cobre é relativamente elevada, normalmente superior a 900°C em processos convencionais.O desajuste significativo de expansão térmica pode facilmente gerar tensão térmica em estado de tração na interface diamante/cobre, levando a um declínio acentuado da adesão interfacial e até mesmo à falha da interface.

Em outras palavras, o estado químico da interface determina o potencial teórico para a resistência de ligação da interface,enquanto o desajuste térmico determina a extensão da redução da resistência de ligação interfacial após a fabricação de compósitos a alta temperaturaPor conseguinte, a resistência final da ligação interfacial é o resultado da interação entre estes dois fatores.A maioria dos estudos atuais se concentram na melhoria da resistência da ligação interfacial ajustando o estado químico da interface, tais como através do tipo, espessura e morfologia da camada intermédia de transição.A redução da resistência de ligação da interface devido a uma grave incompatibilidade térmica na interface ainda não recebeu atenção suficiente.

O processo de preparação, tal como mostrado na figura (a), inclui três fases principais.uma espessura nominal de 70 nm de uma fina camada de titânio (Ti) é depositada na superfície das partículas de diamante (modelo: HHD90, tamanho de malha: 60/70, Huanghe Whirlwind Co., Ltd., Henan, China) utilizando pulverização por magnetron de radiofrequência a 500°C. Alvos de titânio de alta pureza (pureza: 99.99%) são utilizadas como matéria-primaO teor de nitrogênio (NOx) é o mais elevado do que o teor de nitrogênio (NOx) em água.é utilizada uma técnica de rotação do substrato, permitindo que todas as superfícies das partículas de diamante sejam expostas à atmosfera de pulverização,assegurando que o elemento Ti seja uniformemente depositado em todos os planos de superfície das partículas de diamante (incluindo principalmente dois tipos de facetas): (001) e (111)).

Em segundo lugar, durante o processo de mistura a molho, é adicionado 10% de álcool em peso para assegurar uma distribuição uniforme das partículas de diamante dentro da matriz de cobre.tamanho das partículas: 5?? 20 μm, Zhongnuo Advanced Materials Technology Co., Ltd., China) e partículas de diamante de cristal único de alta qualidade são utilizadas como matriz (55 vol%) e fase de reforço (45 vol%),respectivamente.

Por último, o álcool é removido do material composto pré-prensado num vácuo elevado de 10-4 Pa,e o material composto cobre-diamante é densificado utilizando métodos de metalurgia em pó (sinteragem por plasma de faísca), SPS).

No processo de preparação de SPS, propusemos de forma inovadora uma técnica de sinterização a baixa temperatura e alta pressão (LTHP), combinando-a com a modificação da interface fina (70 nm).Para reduzir a resistência térmica introduzida pelo próprio revestimentoPara comparação, preparámos também os materiais compósitos utilizando o processo tradicional de sinterização a baixa pressão e alta temperatura (HTLP).A técnica de sinterização HTLP é um método convencional amplamente utilizado em trabalhos anteriores para integrar diamante e cobre em compósitos densosEste processo HTLP utiliza tipicamente uma alta temperatura de sinterização superior a 900°C (perto do ponto de fusão do cobre) e uma baixa pressão de sinterização de cerca de 50 MPa.A temperatura de sinterização é fixada a 600°CAo mesmo tempo, substituindo os moldes tradicionais de grafite por moldes de liga dura, a indústria do cobre tem vindo a desenvolver um processo de transformação que permite a obtenção de uma maior eficiência energética.a pressão de sinterização pode ser substancialmente aumentada para 300 MPaO tempo de sinterização para ambos os processos é de 10 minutos.Os parâmetros experimentais para os diferentes processos (LTHP e HTLP) são apresentados na figura b)..

As conclusões da investigação acima referida visam superar estes desafios e elucidar os mecanismos para melhorar as propriedades de transporte térmico dos compósitos de diamante/cobre:

1. Foi desenvolvida uma nova estratégia de integração que combina a modificação da interface ultrafina com o processo de sinterização LTHP.O composto diamante/cobre resultante alcançou um elevado valor de condutividade térmica (k) de 763 W/mK, com um coeficiente de expansão térmica (CTE) inferior a 10 ppm/K.foi obtido um elevado valor k mesmo numa fração de volume de diamante mais baixa (45% em comparação com os 50%-70% típicos dos processos convencionais de metalurgia em pó), indicando que os custos podem ser significativamente reduzidos através da diminuição da quantidade de enchimento de diamante.

2. Através da estratégia proposta, a estrutura de interface refinada foi caracterizada como uma estrutura em camadas de diamante/TiC/CuTi2/Cu,que reduziu consideravelmente a espessura da camada de transição para aproximadamente 100 nmNo entanto, devido à redução dos danos causados pelo esforço térmico durante o processo de preparação, a temperatura da água é muito menor do que as várias centenas de nanómetros ou mesmo de micrómetros utilizados anteriormente.a força de ligação da interface ainda foi aumentada para níveis de ligação covalente, com uma energia de ligação de interface de 3,661 J/m2.

3. Devido à sua natureza ultra fina, a camada de transição de interface diamante/cobre cuidadosamente elaborada apresenta baixa resistência térmica. 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)Assim, os dois possíveis gargalos de transferência térmica deixaram de ser factores limitantes para a interface diamante/cobre.

A força de ligação da interface aumentou efetivamente para níveis de ligação covalente.O objectivo principal é a obtenção de um excelente equilíbrio entre estes dois factores críticos.As análises sugerem que a melhoria simultânea destes dois factores-chave é a razão da condutividade térmica superior dos compósitos diamante/cobre.

 

A Solução da ZMSH

Substrato de cobre de cristal único Cu 5x5x0.5/lmm 10x10x0.5/1mm 20x20x0.5/1mm a=3.607A

Al substrato monocristalino Puridade do substrato de alumínio 99/99% 5×5×1/0,5 mm 10×10×1/0,5 20x20x0,5/1 mm