Materiais compostos de diamante/cobre (Cu) para aplicações de alta condutividade térmica e melhor desempenho mecânico

Materiais compostos de diamante/cobre (Cu) para aplicações de alta condutividade térmica e melhor desempenho mecânico

Desde a década de 1980, o nível de integração de circuitos dentro de componentes eletrónicos tem vindo a aumentar a uma taxa de 1,5 vezes ou mais rapidamente por ano.À medida que o nível de integração dos circuitos integrados aumenta, a corrente aumenta em conformidade, gerando mais calor durante o funcionamento.Pode causar danos térmicos aos componentes eletrónicos e reduzir a sua vida útilPor conseguinte, para satisfazer as crescentes demandas de dissipação de calor dos componentes electrónicos, os materiais de embalagem electrónicos com elevada condutividade térmica foram continuamente pesquisados e otimizados.

Os metais puros como Cu, Ag e Al têm alta condutividade térmica, mas taxas de expansão térmica excessivamente altas.para assegurar o funcionamento normal dos componentes eletrónicos e prolongar a sua vida útil, há uma necessidade urgente de desenvolver novos materiais de embalagem com elevada condutividade térmica e coeficientes de expansão térmica adequados.com uma dureza de Mohs igual ou superior a 10, e é também um dos materiais naturais com a maior condutividade térmica, atingindo 200 a 2200 W/(m·K).Os materiais compostos de diamante/cobre ▌que utilizam cobre como matriz e diamante como reforço ▌são amplamente considerados como os futuros materiais de embalagem electrónica de alta condutividade térmica..

O Diamond/Copper Composite é um material composto de alto desempenho composto por diamante

Métodos de preparação comuns para compósitos de diamante/cobre incluem: metalurgia em pó, alta temperatura e alta pressão, infiltração de fundimento, sinterização de plasma por faísca, pulverização a frio e outros.

(1) Metalurgia de pó

misturar as partículas de diamante comDurante o processo de mistura, pode ser adicionada uma certa quantidade de aglutinante e agentes de formação.A sinterização é efectuada para obter compósitos de diamante/Cu de elevada condutividade térmicaA metalurgia em pó é um processo simples com um custo relativamente baixo e é uma técnica de sinterização relativamente madura.Além disso,, as amostras preparadas tendem a ser de tamanho limitado e de forma simples, o que dificulta a obtenção directa de materiais de condução térmica superior.

(2) Alta temperatura e alta pressão

(3) Infiltração do fundimento

(4) Sinterização de plasma por faísca (SPS)

(5) Pulverização a frio

A deposição por pulverização a frio envolve a colocação de dois pós mistos numa câmara de forno, onde, após fusão de metais e atomização de metais líquidos,As partículas são pulverizadas e depositadas numa placa de substrato para obter o material composto.

Estratégias são empregadas para resolver os problemas de interface entre o diamante e a matriz de Cu

Para a fabricação de materiais compósitos, a mobilidade mútua entre os componentes é um pré-requisito necessário para uma composição bem sucedida,e desempenha um papel crucial na determinação da estrutura da interface e estado de ligaçãoA fraca hidratabilidade entre o diamante e o cobre leva a uma elevada resistência térmica da interface.que é fundamental para melhorar o desempenho dos compósitos.

Atualmente, duas estratégias principais são empregadas para resolver os problemas de interface entre o diamante e a matriz de Cu:

Modificação da superfície do diamante
O revestimento da superfície das partículas de diamante com elementos ativos como Mo, Ti, W ou Cr pode melhorar significativamente as características interfaciais.Estes elementos reagem com o carbono na superfície do diamante para formar uma camada de transição de carburoAlém disso, tais revestimentos podem proteger a estrutura do diamante da degradação a temperaturas elevadas.

Ligação da matriz de cobre

Antes do processamento de compostos, a matriz de cobre pode ser pré-aligada com elementos ativos.A introdução de elementos ativos na matriz de cobre reduz efetivamente o ângulo de contato entre o diamante e o cobre e promove a formação de uma camada de carburo na interface diamante/CuEstes carburos, que podem ser parcialmente solúveis na matriz de cobre, ajudam a preencher os vazios interfaciais e melhoram significativamente o desempenho térmico.

Paisagem do mercado e tendências de desenvolvimento

Estrutura do mercado

Liderança internacional:
Os mercados de gama alta são dominados por intervenientes internacionais como a AMETEK (EUA) e a Sumitomo Electric (Japão), que servem principalmente os sectores militar e aeroespacial.Heraeus (Alemanha) e Toho Titanium (Japão) concentram-se em substratos de gestão térmica para eletrónica de consumo.

Progresso da produção interna:
Produtores chineses (por exemplo, Instituto de Pesquisa de Metais, Academia Chinesa de Ciências;Hunan Dingli Technology) alcançaram a produção em massa de substratos compostos de diamante/Cu de 6 polegadas através de métodos de metalurgia em póAté 2023, as empresas chinesas capturaram 25% da parte do mercado doméstico.

Tamanho do mercado

De acordo com uma previsão da QY Research, prevê-se que o mercado mundial de compósitos de diamante/Cu alcance 1,2 mil milhões de USD até 2025, com uma taxa de crescimento anual composta (CAGR) de 18%.A região da Ásia-Pacífico deverá representar mais de 50% da procura mundial.

No setor das comunicações 5G, prevê-se que a procura de módulos de gestão térmica de estações de base conduza a um aumento de 300% no consumo de materiais compostos até 2024.

Tendências Futuras

Descobertas em Tecnologias de Diamantes Sintéticos:
Prevê-se que o custo dos diamantes de deposição química de vapor (CVD) caia para um décimo dos níveis atuais na próxima década.

Aplicações de integração heterogênea:
Desenvolvimento de filmes térmicos ultrafinos e flexíveis por composição de diamante com materiais bidimensionais como o grafeno e o nitreto de boro.

Gestão térmica inteligente:
Integração de sensores de temperatura em substratos de diamante/Cu para permitir a monitorização da distribuição térmica em tempo real e a regulação térmica dinâmica.

Desafios e futuras direcções de investigação

Engarrafamentos técnicos

Dificuldade em alcançar simultaneamente baixa resistência térmica da interface e elevados rendimentos de produção em massa, limitando a penetração dos compósitos de diamante/Cu nos mercados de electrónica de consumo.

Problemas persistentes com a oxidação da interface e a difusão elementar durante o serviço de alta temperatura a longo prazo.

Direcções de investigação

Projeto de interface biomimética:
Inspirado em estruturas em camadas na natureza (por exemplo, nacre), estratégias de distribuição de reforço em múltiplas escalas estão sendo exploradas para otimizar o desempenho do acoplamento termo-mecânico.

Processos de Fabricação Verdes:
Desenvolvimento de processos ecológicos, como a galvanização sem cianeto e a sinterização a baixa temperatura, para reduzir as emissões de carbono.

Compósitos de temperatura ultra-alta:
Investigação do potencial de aplicação dos compósitos de diamante/Cu em ambientes superiores a 1000°C.

Conclusão

Graças à sua condutividade térmica inigualável e vantagens mecânicas abrangentes,Os compósitos de diamante/Cu estão a surgir como materiais-chave para dispositivos eletrónicos de alta densidade de potência e aplicações em condições extremasApesar de enfrentar desafios na otimização da interface e redução de custos,Os progressos em curso nas técnicas sintéticas e a maturação gradual da cadeia industrial estão a abrir caminho para uma adoção mais ampla.

No futuro, através de inovações interdisciplinares que combinem ciência dos materiais, nanotecnologia,e da inteligência artificial, espera-se que os compósitos de diamante/Cu conduzam os dispositivos eletrónicos para um desempenho mais elevadoAlém disso, estes materiais desempenharão um papel fundamental na melhoria da eficiência energética global e no apoio a iniciativas de neutralidade de carbono.

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