Material composto diamante/cobre, quebre o limite!
Com a miniaturização contínua, integração e alto desempenho dos dispositivos eletrônicos modernos, incluindo computação, 5G/6G, baterias e eletrônica de potência,A crescente densidade de potência leva a calor severo em joules e altas temperaturas nos canais do dispositivoA eficiência da dissipação de calor está a tornar-se um problema importante nos produtos eletrónicos.A integração de materiais avançados de gestão térmica em dispositivos eletrónicos pode melhorar significativamente as suas capacidades de dissipação de calor.
O diamante possui excelentes propriedades térmicas, a maior condutividade térmica isotrópica de todos os materiais a granel (k= 2300W/mK),e tem um coeficiente de expansão térmica ultra-baixo à temperatura ambiente (CTE=1ppm/K). compósitos de matriz de cobre reforçada com partículas de diamante (diamantes/cobre), como uma nova geração de materiais de gestão térmica,têm recebido grande atenção devido ao seu potencial elevado valor k e CTE ajustável.
No entanto, existem desajustes significativos entre o diamante e o cobre em muitas propriedades, incluindo, mas não limitado a CTE (uma clara diferença de ordem de magnitude,conforme mostrado na figura a) e afinidade química (sem solução sólida), sem reacção química, tal como indicado na figura b).
Diferenças significativas de desempenho entre cobre e diamante (a) coeficiente de expansão térmica (CTE) e (b) diagrama de fase
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, os compósitos de diamante/cobre irão inevitavelmente encontrar problemas de fissuração na interface e a condutividade térmica será muito reduzida (quando o diamante e o cobre são directamente combinados, a condutividade térmica será muito reduzida).o seu valor k é muito inferior ao do cobre puro (< 200 W/mK).
Atualmente, o principal método de melhoria consiste na modificação química da interface diamante/diamante através de ligação de metais ou metalização da superfície.A camada de transição formada na interface irá melhorar a força de ligação da interfaceComo mencionado nas referências, para se conseguir a ligação, a camada intermédia relativamente espessa é mais propícia a resistir à fissuração da interface.a espessura da camada intermédia precisa ser de centenas de nanômetros ou mesmo micrômetrosNo entanto, as camadas intermediárias de transição na interface diamante/cobre, tais como os carburos (TiC, ZrC, Cr3C2, etc.), têm uma condutividade térmica intrínseca mais baixa (< 25 W/mK,várias ordens de magnitude menores do que o diamante ou o cobre)Do ponto de vista da melhoria da eficiência de dissipação de calor da interface, é necessário minimizar a espessura do sanduíche de transição,porque de acordo com o modelo da série de resistência térmica, a condutividade térmica da interface (G cobre-diamante) é inversamente proporcional à espessura do sanduíche (d):
A camada intermediária de transição relativamente espessa é propícia a melhorar a força de ligação da interface entre o diamante e a interface,mas a resistência térmica excessiva da camada intermédia não é propícia à transferência de calor da interfacePor conseguinte, 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.
O estado químico da interface determina a força de ligação entre materiais heterogêneos.As ligações químicas são muito maiores do que as forças de van der Waals ou as ligações de hidrogênioPor outro lado, o desajuste de expansão térmica entre os dois lados da interface (onde T refere-se à CTE e à temperatura,A resistência de ligação das interfaces dos compósitos de diamante/cobre é um outro fator chave na determinação da resistência de ligação das interfaces dos compósitos de diamante/cobre.Como se mostra na figura (a), o coeficiente de expansão térmica do diamante e do cobre é claramente diferente em ordem de magnitude.
Em geral, os desajustes de expansão térmica têm sido um fator chave que afeta o desempenho de muitos compósitos, uma vez que a densidade de deslocamentos em torno dos preenchimentos aumenta significativamente durante o resfriamento,especialmente em compósitos de matriz metálica reforçados com enchimentos não metálicosO estudo inclui os compostos AlN/Al, os compostos TiB2/Mg, os compostos SiC/Al e os compostos diamante/cobre.o composto diamante/cobre é preparado a uma temperatura mais elevada, geralmente superior a 900 °C nos processos tradicionais. A desajuste de expansão térmica óbvia é fácil de gerar tensão térmica no estado de tração da interface diamante/cobre,resultando em uma queda acentuada na adesão da interface e até mesmo falha da interface.
Em outras palavras, o estado químico da interface determina o potencial teórico da força da ligação da interface,e o desajuste térmico determina o grau de diminuição da resistência da ligação interfacial após a preparação a alta temperatura do material compostoPortanto, a força de ligação final da interface é o resultado do jogo entre os dois fatores acima.A maioria dos estudos atuais se concentram em melhorar a resistência de ligação da interface ajustando o estado químico da interfaceNo entanto, a diminuição da resistência da ligação de interface causada por uma grave incompatibilidade térmica não foi suficientemente considerada.
Experimento concreto
Tal como se mostra na figura a), o processo de preparação consiste em três fases principais.Uma camada de Ti ultrafina com uma espessura nominal de 70 nm foi depositada na superfície das partículas de diamante (modelo: HHD90, malha: 60/70, Henan Huanghe Cyclone Co., LTD., China) a 500°C pelo método de deposição por pulverização por magnetron RF. A placa de titânio de alta pureza (pureza: 99.99%) é utilizado como alvo de titânio (material de origem)O revestimento de titânio é controlado através do controlo do tempo de deposição.A tecnologia de rotação do substrato é utilizada para expor todas as faces das partículas de diamante à atmosfera de pulverização., e o elemento Ti é uniformemente depositado em todos os planos superficiais das partículas de diamante (incluindo principalmente duas facetas: (001) e (111)).10 wt% de álcool é adicionado no processo de mistura úmida para fazer as partículas de diamante uniformemente distribuídas na matriz de cobre. Pó de cobre puro (pureza: 99,85wt%, tamanho de partícula: 5 ~ 20μm, China Zhongnuo Advanced Material Technology Co., LTD.) e partículas de diamante de cristal único de alta qualidade são utilizadas como matriz (55vol%) e reforço (45vol%)Finalmente, o álcool do composto pré-presso é removido com um vácuo elevado de 10-4 Pa,e, em seguida, o composto de cobre e diamante é densificado por metalurgia em pó (sinterização por plasma de faísca), SPS).
(a) Diagrama esquemático do processo de preparação de compósitos de diamante/cobre; (b) Diferentes processos de sinterização na preparação da metalurgia em pó SPS
No processo de preparação de SPS, propusemos de forma inovadora um processo de sinterização a baixa temperatura e alta pressão (LTHP) e combinámo-lo com a modificação da interface de um revestimento ultrafinho (70 nm).Para reduzir a introdução de resistência térmica do próprio revestimentoPara a comparação, também preparámos os compósitos utilizando o processo tradicional de sinterização a alta temperatura e baixa pressão (HTLP).O processo de sinterização HTLP é uma formulação tradicional que tem sido amplamente utilizada em trabalhos relatados anteriormente para integrar diamante e cobre em compósitos densosEste processo HTLP utiliza tipicamente uma alta temperatura de sinterização de > 900°C (perto do ponto de fusão do cobre) e uma baixa pressão de sinterização de ~ 50MPa.a temperatura de sinterização é de 600°CAo mesmo tempo, substituindo o molde tradicional de grafite por um molde de carburo cimentado, a pressão de sinterização pode ser aumentada consideravelmente para 300MPa.O tempo de sinterização dos dois processos acima é de 10 minutosNos materiais complementares, fizemos uma explicação complementar sobre a otimização dos parâmetros de processo LTHP.Os parâmetros experimentais pormenorizados para diferentes processos (LTHP e HTLP) são apresentados na figura b) acima..
Conclusão
A pesquisa acima visa superar estes desafios e elucidar os mecanismos para melhorar o desempenho de transferência de calor dos compósitos de diamante/cobre.
1Uma nova estratégia integrada foi desenvolvida para combinar a modificação de interfaces ultrafinas com o processo de sinterização LTHP.O composto diamante/cobre obtido atinge um valor k elevado de 763 W/mK e um valor CTE inferior a 10 ppm/KAo mesmo tempo, um valor k mais elevado pode ser obtido a uma fracção de volume de diamante mais baixa (45%, em comparação com 50%-70% nos processos tradicionais de metalurgia em pó),o que significa que os custos podem ser significativamente reduzidos através da redução do teor de enchimentos de diamantes.
2Através da estratégia proposta, a estrutura de interface fina é caracterizada como uma estrutura em camadas de diamante /TiC/CuTi2/Cu, que reduz muito a espessura da camada de transição para ~ 100nm,muito menos do que as centenas de nanômetros ou mesmo alguns micrômetros usados anteriormenteNo entanto, devido à redução dos danos causados pelo esforço térmico durante o processo de preparação, a resistência da ligação interfacial ainda é melhorada para o nível da ligação covalente,e a energia da ligação interfacial é 3.661J/m2.
3Devido à sua espessura ultra fina, a sandwich de transição de interface diamante/cobre cuidadosamente feita tem baixa resistência térmica.Os resultados da simulação MD e Ab-initio mostram que a interface diamante/carbono de titânio tem uma boa correspondência de propriedades fonônicas e uma excelente capacidade de transferência de calor (G> 800MW/m2K)Por conseguinte, os dois possíveis gargalos de transferência de calor não são mais os factores limitantes na interface diamante/cobre.
4A força da ligação de interface é efetivamente melhorada para o nível da ligação covalente.O resultado é um excelente equilíbrio entre os dois factores-chaveA análise mostra que a melhoria simultânea destes dois factores-chave é a razão da excelente condutividade térmica dos compósitos diamante/cobre.
Video
