Les matériaux composites diamant/cuivre dépassent les limites!

Avec la miniaturisation continue, l'intégration et les performances élevées des appareils électroniques modernes, y compris l'informatique, la 5G/6G, les batteries, les appareils électroniques, les appareils électroniques, les appareils électroniques, les appareils électroniques, les appareils électroniques, les appareils électroniques, les appareils électroniques, les appareils électroniques, les appareils électroniques, les appareils électroniques, les appareils électroniques, les appareils électroniques, les appareils électroniques, les appareils électroniques, les appareils électroniques, les appareils électroniques, les appareils électroniques, les appareils électroniques, les appareils électroniques, les appareils électroniques, les appareils électroniques, etc.La hausse de la densité de puissance a entraîné un chauffage sévère en Joule et des températures élevées à l'intérieur des appareils.La gestion thermique efficace est devenue un problème important dans les produits électroniques.l'intégration de matériaux de gestion thermique avancés dans les composants électroniques peut améliorer considérablement leur capacité de dissipation thermique.

Les diamants possèdent d'excellentes propriétés thermiques et présentent la plus haute conductivité thermique isotrope (k = 2300 W/mK) de tous les matériaux en vrac.et ont un coefficient de dilatation thermique extrêmement faible (CTE = 1 ppm/K à température ambiante). 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.

Cependant, il existe des disparités notables entre le diamant et le cuivre dans de nombreux aspects de performance, y compris, mais sans s'y limiter, le CTE (avec une différence significative d'ordre de grandeur,comme indiqué à la figure a) et affinité chimique (ils sont immiscibles et ne subissent pas de réactions chimiques), comme illustré à la figure b).

Ces disparités conduisent inévitablement à la faible résistance à l'adhérence inhérente des composites diamant/cuivre lors des processus de fabrication ou d'intégration à haute température,ainsi qu'un stress thermique élevé à l'interface diamant/cuivreEn conséquence, les composites diamant/cuivre sont sujettes à des fissurations d'interface, ce qui réduit considérablement la conductivité thermique (lorsque le diamant et le cuivre sont directement liés, la conductivité thermique diminue).leur valeur k peut être beaucoup plus faible que celle du cuivre pur, même en dessous de 200 W/mK).

À l'heure actuelle, la principale méthode d'amélioration consiste à modifier chimiquement l'interface diamant/diamant par un alliage métallique ou une métallisation de surface.La couche intermédiaire de transition formée à l'interface peut améliorer la résistance de liaison interfaciale, et une couche intermédiaire relativement plus épaisse est plus bénéfique pour résister à la fissuration de l'interface.l'épaisseur de la couche intermédiaire doit être de l'ordre de centaines de nanomètres ou même de micromètresCependant, les couches intermédiaires de transition sur l'interface diamant/cuivre, telles que les carbures (par exemple, TiC, ZrC, Cr3C2), présentent des conductivités thermiques intrinsèques inférieures (< 25 W/mK),de plusieurs ordres de grandeur inférieurs à ceux du diamant ou du cuivrePour améliorer l'efficacité du transfert de chaleur entre les interfaces, il est essentiel de réduire au minimum l'épaisseur de la couche intermédiaire de transition, car, selon le modèle de résistance thermique, la résistance thermique de la couche intermédiaire de transition peut être réduite à un minimum.la conductivité thermique de l'interface (G_cu-diamant) est inversement proportionnelle à l'épaisseur de la couche intermédiaire (d).

Alors qu'une couche de transition relativement plus épaisse contribue à améliorer la résistance de liaison interfaciale à l'interface diamant/diamant,la résistance thermique excessive de la couche intermédiaire empêche le transfert de chaleur à travers l'interfacePar conséquent, 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.

L'état chimique de l'interface détermine la résistance de liaison entre matériaux hétérogènes.Les liaisons chimiques sont nettement plus fortes que les forces de van der Waals ou les liaisons hydrogèneD'un autre côté,le décalage thermique des deux côtés de l'interface (où T représente la CTE et la température) est un autre facteur critique affectant la résistance à la liaison des composites diamant/cuivreComme le montre la figure a), il existe une différence significative dans l'ordre de grandeur des coefficients de dilatation thermique entre le diamant et le cuivre.

En général,Le décalage thermique de l'expansion a toujours été un facteur clé influençant les performances de nombreux composites car la densité de dislocation autour du chargeur augmente considérablement pendant le refroidissement, en particulier dans les composites métalliques à matrice renforcés avec des charges non métalliques, tels que les composites AlN/Al, les composites TiB2/Mg, les composites SiC/Al et les composites diamant/ cuivre étudiés dans le présent article.En outre, la température de préparation des composites diamant/cuivre est relativement élevée, dépassant généralement 900 °C dans les procédés classiques.L'inadéquation significative de l'expansion thermique peut facilement générer des contraintes thermiques à l'état de traction à l'interface diamant/cuivre, ce qui entraîne une forte diminution de l'adhérence de l'interface et même une défaillance de l'interface.

En d'autres termes, l'état chimique de l'interface détermine le potentiel théorique de la résistance de liaison entre les interfaces,alors que le décalage thermique détermine l'ampleur de la réduction de la résistance à la liaison de l'interface après la fabrication de composites à haute températurePar conséquent, la résistance finale de liaison interfaciale est le résultat de l'interaction entre ces deux facteurs.La plupart des études actuelles se concentrent sur l'amélioration de la résistance de liaison de l'interface en ajustant l'état chimique de l'interface, par exemple par le type, l'épaisseur et la morphologie de la couche intermédiaire de transition.La réduction de la résistance à l'adhérence de l'interface due à une grave incompatibilité thermique à l'interface n'a pas encore reçu suffisamment d'attention.

Le processus de préparation, comme le montre la figure a), comporte trois étapes principales.une couche mince de titane (Ti) d'une épaisseur nominale de 70 nm est déposée sur la surface des particules de diamant (modèle: HHD90, taille de maille: 60/70, Huanghe Whirlwind Co., Ltd., Henan, Chine) à l'aide d'une pulvérisation par magnétron à radiofréquence à 500 °C. Cibles de titane de haute pureté (pureté: 99.99%) sont utilisés comme matière premièreL'épaisseur du revêtement en Ti est contrôlée en ajustant le temps de dépôt.une technique de rotation du substrat est utilisée, permettant d'exposer toutes les surfaces des particules de diamant à l'atmosphère de pulvérisation,s'assurer que l'élément Ti est déposé uniformément sur tous les plans de surface des particules de diamant (y compris principalement deux types de facettes): (001) et (111)).

Deuxièmement, au cours du procédé de mélange humide, 10 wt% d'alcool est ajouté pour assurer une répartition uniforme des particules de diamant dans la matrice de cuivre.taille des particules: 5?? 20 μm, Zhongnuo Advanced Materials Technology Co., Ltd., Chine) et des particules de diamant monocristallin de haute qualité sont utilisées comme matrice (55 vol%) et comme phase de renforcement (45 vol%),respectivement.

Enfin, l'alcool est retiré du matériau composite prépressé dans un vide élevé de 10^-4 Pa,et le matériau composite cuivre-diamant est densifié à l'aide de méthodes de métallurgie des poudres (sintration par plasma d'étincelle), SPS).

Dans le processus de préparation des SPS, nous avons proposé de manière innovante une technique de frittage à basse température et haute pression (LTHP), en la combinant à une modification de l'interface mince (70 nm).Pour réduire la résistance thermique introduite par le revêtement lui-mêmePour la comparaison, nous avons également préparé les matériaux composites en utilisant le procédé traditionnel de frittage à basse pression à haute température (HTLP).La technique de frittage HTLP est une méthode conventionnelle largement utilisée dans les travaux antérieurs pour intégrer le diamant et le cuivre dans des composites densesCe procédé HTLP utilise généralement une température de frittage élevée de plus de 900°C (près du point de fusion du cuivre) et une basse pression de frittage d'environ 50 MPa.la température de frittage est réglée à 600°CDans le même temps, en remplaçant les moules traditionnels en graphite par des moules en alliage dur, le taux de fusion de l'acier est considérablement inférieur à celui du cuivre.la pression de frittage peut être considérablement augmentée à 300 MPaLe temps de frittage pour les deux procédés est de 10 minutes.Les paramètres expérimentaux pour les différents procédés (LTHP et HTLP) sont indiqués à la figure b)..

Les conclusions de cette recherche visent à surmonter ces défis et à élucider les mécanismes d'amélioration des propriétés de transport thermique des composites diamant/cuivre:

1. Une nouvelle stratégie d'intégration a été développée qui combine la modification d'interface ultra-mince avec le procédé de frittage LTHP.Le composite diamant/cuivre obtenu a atteint une valeur de conductivité thermique élevée (k) de 763 W/mK, avec un coefficient de dilatation thermique (CTE) inférieur à 10 ppm/K.une valeur k élevée a été obtenue même à une fraction volumique de diamant inférieure (45% par rapport aux 50% à 70% typiques des procédés de métallurgie des poudres conventionnels), ce qui indique que les coûts peuvent être considérablement réduits en diminuant la quantité de remplissage au diamant.

2. Dans le cadre de la stratégie proposée, la structure d'interface raffinée a été caractérisée comme une structure en couches de diamant/TiC/CuTi2/Cu,qui a considérablement réduit l'épaisseur de la couche de transition à environ 100 nmCependant, en raison de la réduction des dommages causés par les contraintes thermiques au cours du processus de préparation, la résistance à l'usure est réduite.la résistance de liaison entre les interfaces était encore élevée à des niveaux de liaison covalente, avec une énergie de liaison à l'interface de 3,661 J/m2.

3. En raison de sa nature ultra-mince, la couche de transition de l'interface diamant/ cuivre soigneusement conçue présente une faible résistance thermique. 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)Ainsi, les deux goulots d'étranglement potentiels du transfert thermique ne sont plus des facteurs limitants pour l'interface diamant/cuivre.

La force de liaison de l'interface a effectivement augmenté à des niveaux de liaison covalente.réaliser un excellent équilibre entre ces deux facteurs critiquesLes analyses suggèrent que l'amélioration simultanée de ces deux facteurs clés est la raison de la conductivité thermique supérieure des composites diamant/ cuivre.

 

La solution de la ZMSH

Substrate de cuivre à cristal unique Cu 5x5x0.5/lmm 10x10x0.5/1mm 20x20x0.5/1mm a=3.607A

Al substrat monocristallin Pureté du substrat en aluminium 99/99% 5×5×1/0,5 mm 10×10×1/0,5 20x20x0,5/1 mm