Material compuesto de diamante y cobre, rompe el límite!
Con la miniaturización continua, la integración y el alto rendimiento de los dispositivos electrónicos modernos, incluyendo computación, 5G/6G, baterías y electrónica de potencia,La creciente densidad de potencia conduce a un calor severo en joules y altas temperaturas en los canales del dispositivo.La eficiencia de la disipación de calor se está convirtiendo en un problema importante en los productos electrónicos.La integración de materiales avanzados de gestión térmica en dispositivos electrónicos puede mejorar significativamente sus capacidades de disipación de calor.
El diamante tiene excelentes propiedades térmicas, la conductividad térmica isotrópica más alta de todos los materiales a granel (k= 2300W/mK),y tiene un coeficiente de expansión térmica muy bajo a temperatura ambiente (CTE=1 ppm/K). los compuestos de matriz de cobre reforzados con partículas de diamante (diamante/cobre), como una nueva generación de materiales de gestión térmica,han recibido mucha atención debido a su potencial alto valor k y CTE ajustable.
Sin embargo, hay desajustes significativos entre el diamante y el cobre en muchas propiedades, incluyendo pero no limitado a CTE (una clara diferencia en orden de magnitud,como se muestra en la figura a) y afinidad química (sin solución sólida), sin reacción química, como se muestra en la figura b).
Diferencias significativas de rendimiento entre el cobre y el diamante (a) coeficiente de expansión térmica (CTE) y (b) diagrama de fase Fuente: Paper
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 compositesComo resultado, los compuestos de diamante/cobre inevitablemente se encontrarán con problemas de grietaje en la interfaz, y la conductividad térmica se reducirá en gran medida (cuando el diamante y el cobre se combinan directamente, la conductividad térmica se reduce mucho).su valor k es incluso mucho menor que el cobre puro (< 200W/mK)).
En la actualidad, el principal método de mejora consiste en modificar químicamente la interfaz diamante/diamante mediante aleación de metales o metalización de la superficie.La capa de transición formada en la interfaz mejorará la fuerza de unión de la interfazComo se ha mencionado en las referencias, para lograr la unión, se utiliza una capa de acero en el interior de la capa de acero, y la capa intermedia relativamente gruesa es más propicia para resistir la grieta de la interfaz.el grosor de la capa intermedia debe ser de cientos de nanómetros o incluso micrómetrosSin embargo, las capas intermedias de transición en la interfaz diamante/cobre, como los carburos (TiC, ZrC, Cr3C2, etc.), tienen una conductividad térmica intrínseca inferior (< 25 W/mK,varios órdenes de magnitud más pequeños que el diamante o el cobre)Desde el punto de vista de mejorar la eficiencia de disipación de calor de la interfaz, es necesario minimizar el grosor del sándwich de transición,porque según el modelo de la serie de resistencia térmica, la conductividad térmica de la interfaz (G cobre-diamante) es inversamente proporcional al grosor del sándwich (d):
La capa intermedia de transición relativamente gruesa es propicio para mejorar la fuerza de unión de la interfaz de diamantes/interfaz de diamantes,pero la resistencia térmica excesiva de la capa intermedia no favorece la transferencia de calor de la interfazPor lo tanto, 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.
El estado químico de la interfaz determina la fuerza de unión entre materiales heterogéneos.Los enlaces químicos son mucho más altos que las fuerzas de van der Waals o los enlaces de hidrógenoPor otro lado, la desajuste de expansión térmica entre los dos lados de la interfaz (donde T se refiere a CTE y temperatura,La resistencia de la unión de las interfaces de los compuestos de diamante y cobre es también un factor clave en la determinación de la resistencia de unión de las interfaces de los compuestos de diamante y cobre.Como se muestra en la figura (a) anterior, el coeficiente de expansión térmica del diamante y el cobre es claramente diferente en orden de magnitud.
En general, los desajustes de expansión térmica han sido un factor clave que afecta el rendimiento de muchos compuestos, ya que la densidad de dislocaciones alrededor de los rellenos aumenta significativamente durante el enfriamiento,especialmente en materiales compuestos de matriz metálica reforzados con rellenos no metálicosEn este trabajo se estudian los compuestos AlN/Al, TiB2/Mg, SiC/Al y los compuestos diamante/cobre.el compuesto diamante/cobre se prepara a una temperatura más altaEl desajuste de expansión térmica obvio es fácil de generar tensión térmica en el estado de tracción de la interfaz diamante/cobre,lo que resulta en una fuerte disminución de la adhesión de la interfaz e incluso el fallo de la interfaz.
En otras palabras, el estado químico de la interfaz determina el potencial teórico de la fuerza del enlace de la interfaz,y el desajuste térmico determina el grado de disminución de la resistencia de la unión interfacial después de la preparación a alta temperatura del material compuestoPor lo tanto, la fuerza de unión de la interfaz final es el resultado del juego entre los dos factores anteriores.La mayoría de los estudios actuales se centran en mejorar la resistencia de unión de la interfaz ajustando el estado químico de la interfazSin embargo, no se ha prestado suficiente atención a la disminución de la resistencia de la unión de la interfaz causada por una grave incompatibilidad térmica.
Experimento concreto
Como se muestra en la figura a), el proceso de preparación consta de tres etapas principales.se depositó en la superficie de las partículas de diamante un revestimiento de Ti ultra delgado con un grosor nominal de 70 nm (modelo: HHD90, malla: 60/70, Henan Huanghe Cyclone Co., LTD., China) a 500 °C por el método de deposición de pulverización por magnetrón RF. La placa de titanio de alta pureza (pureza: 99.99%) se utiliza como blanco de titanio (material de origen)En el proceso de deposición, el espesor del revestimiento de titanio se controla mediante el control del tiempo de deposición.La tecnología de rotación del sustrato se utiliza para exponer todas las caras de las partículas de diamante a la atmósfera de pulverización., y el elemento Ti se deposita uniformemente en todos los planos superficiales de las partículas de diamante (incluyendo principalmente dos facetas: (001) y (111)).Se añade alcohol de 10 wt% en el proceso de mezcla húmeda para hacer que las partículas de diamante se distribuyan uniformemente en la matriz de cobre. Polvo de cobre puro (pureza: 99,85wt%, tamaño de partícula: 5 ~ 20μm, China Zhongnuo Advanced Material Technology Co., LTD.En el caso de las partículas de diamante de cristal único de alta calidad se utilizan como matriz (55 vol%) y como refuerzo (45 vol%).Por último, el alcohol en el compuesto prensado se elimina con un vacío elevado de 10-4 Pa,y luego el compuesto de cobre y diamante se densifica mediante metalurgia en polvo (sinterizado con plasma de chispa), SPS).
(a) Diagrama esquemático del proceso de preparación de los compuestos diamante/cobre; (b) Diferentes procesos de sinterización en la preparación de metalurgia en polvo SPS
En el proceso de preparación de SPS, propusimos de manera innovadora un proceso de sinterización a baja temperatura y alta presión (LTHP) y lo combinamos con la modificación de la interfaz de un revestimiento ultra delgado (70 nm).Para reducir la introducción de resistencia térmica del propio revestimientoEn este trabajo, se utilizó una capa modificada de interfaz ultrafina (70 nm). Para la comparación, también preparamos los compuestos utilizando el proceso tradicional de sinterización a alta temperatura y baja presión (HTLP).El proceso de sinterización HTLP es una formulación tradicional que se ha utilizado ampliamente en trabajos reportados anteriormente para integrar el diamante y el cobre en compuestos densosEste proceso HTLP utiliza típicamente una alta temperatura de sinterización de > 900°C (cerca del punto de fusión del cobre) y una baja presión de sinterización de ~ 50MPa.la temperatura de sinterización está diseñada para ser de 600°CAl mismo tiempo, mediante la sustitución del molde de grafito tradicional por un molde de carburo cementado, la presión de sinterización puede aumentar considerablemente a 300MPa.El tiempo de sinterización de los dos procesos anteriores es de 10 minutosEn los materiales complementarios, hemos hecho una explicación complementaria sobre la optimización de los parámetros del proceso LTHP.Los parámetros experimentales detallados para diferentes procesos (LTHP y HTLP) se muestran en la figura b) anterior..
Conclusión
La investigación anterior tiene como objetivo superar estos desafíos y dilucidar los mecanismos para mejorar el rendimiento de transferencia de calor de los compuestos de diamante/cobre.
1Se desarrolló una nueva estrategia integrada para combinar la modificación de interfaces ultra delgadas con el proceso de sinterización LTHP.El compuesto diamante/cobre obtenido alcanza un alto valor k de 763 W/mK y un valor CTE inferior a 10 ppm/K.Al mismo tiempo, se puede obtener un valor k más alto a una fracción de volumen de diamante más baja (45%, en comparación con el 50%-70% en los procesos tradicionales de metalurgia en polvo),lo que significa que los costes pueden reducirse significativamente mediante la reducción del contenido de rellenos de diamantes.
2A través de la estrategia propuesta, la estructura de interfaz fina se caracteriza como una estructura en capas de diamante /TiC/CuTi2/Cu, que reduce en gran medida el grosor de la capa intermedia de transición a ~ 100 nm,Mucho menos que los cientos de nanómetros o incluso unos pocos micrones utilizados anteriormenteSin embargo, debido a la reducción del daño por esfuerzo térmico durante el proceso de preparación, la resistencia de la unión interfacial sigue mejorando hasta el nivel de la unión covalente,y la energía de enlace interfacial es 3.661J por m2.
3Debido al espesor ultra delgado, el sándwich de transición de la interfaz diamante/cobre, cuidadosamente hecho, tiene una baja resistencia térmica.Los resultados de las simulaciones MD y Ab-initio muestran que la interfaz diamante/carburo de titanio tiene una buena compatibilidad de las propiedades de los fonones y una excelente capacidad de transferencia de calor (G> 800MW/m2K)Por lo tanto, los dos posibles cuellos de botella de transferencia de calor ya no son los factores limitantes en la interfaz diamante/cobre.
4La fuerza del enlace de interfaz se mejora efectivamente hasta el nivel del enlace covalente.El resultado es un excelente equilibrio entre los dos factores clave.El análisis muestra que la mejora simultánea de estos dos factores clave es la razón de la excelente conductividad térmica de los compuestos diamante/cobre.
