Matériaux composites diamant/cuivre (Cu) pour des applications à haute conductivité thermique et à performances mécaniques améliorées
April 27, 2025
Depuis les années 80, le niveau d'intégration des circuits dans les composants électroniques a augmenté à un rythme annuel de 1,5 fois, voire plus.À mesure que le niveau d'intégration des circuits intégrés augmente,, le courant augmente en conséquence, générant plus de chaleur pendant le fonctionnement.il peut causer des dommages thermiques aux composants électroniques et réduire leur durée de viePar conséquent, pour répondre aux demandes croissantes de dissipation thermique des composants électroniques, des matériaux d'emballage électronique à haute conductivité thermique ont été continuellement recherchés et optimisés.
Les métaux purs comme le Cu, l'Ag et l'Al ont une conductivité thermique élevée mais des taux d'expansion thermique excessivement élevés.pour assurer le fonctionnement normal des composants électroniques et prolonger leur durée de vie, il est urgent de développer de nouveaux matériaux d'emballage avec une conductivité thermique élevée et des coefficients de dilatation thermique appropriés.avec une dureté de Mohs de 10, et est également l'un des matériaux naturels ayant la plus haute conductivité thermique, atteignant 200 à 2200 W/(m·K).Les matériaux composites diamant/cuivre utilisant le cuivre comme matrice et le diamant comme renforcement sont largement considérés comme les futurs matériaux d'emballage électronique à haute conductivité thermique..
Le composite diamant/cuivre est un matériau composite à haute performance composé de diamant
Les méthodes de préparation courantes pour les composites diamant/cuivre sont les suivantes: métallurgie des poudres, haute température et haute pression, infiltration de fusion, frittage au plasma par étincelle, pulvérisation à froid, etc.
(1) Métallurgie des poudres
mélanger les particules de diamants avecLes poudres et les additifs mélangés peuvent être pressés et formés en une certaine quantité.le frittage est effectué pour obtenir des composites diamant/Cu à haute conductivité thermiqueLa métallurgie des poudres est un procédé simple à faible coût et une technique de frittage relativement mature.En plus, les échantillons préparés ont tendance à être de taille limitée et de forme simple, ce qui rend difficile l'obtention directe de matériaux à conduction thermique supérieure.
(2) Température et pression élevées
(3) Infiltration de la fonte
(4) Sintration par plasma à l'échappement (SPS)
(5) Pulvérisation à froid
Le dépôt par pulvérisation à froid consiste à placer deux poudres mélangées dans une chambre de four, où, après fusion du métal et atomisation du métal liquide,les particules sont pulvérisées et déposées sur une plaque de substrat pour obtenir le matériau composite.
Des stratégies sont utilisées pour résoudre les problèmes d'interface entre le diamant et la matrice Cu
Pour la fabrication de matériaux composites, l'humidification mutuelle entre les composants est une condition préalable nécessaire à la réussite de la composition,et il joue un rôle crucial dans la détermination de la structure de l'interface et l'état de liaisonLa faible hydratation entre le diamant et le cuivre conduit à une résistance thermique élevée de l'interface.qui est essentiel pour améliorer les performances des composites.
Actuellement, deux stratégies principales sont utilisées pour résoudre les problèmes d'interface entre le diamant et la matrice Cu:
Modification de la surface du diamant
Le revêtement de la surface des particules de diamant avec des éléments actifs tels que Mo, Ti, W ou Cr peut améliorer considérablement les caractéristiques de l'interface.ces éléments réagissent avec le carbone sur la surface du diamant pour former une couche de transition de carbureEn outre, ces revêtements peuvent protéger la structure du diamant de la dégradation à des températures élevées.
Légures de matrice de cuivre
Avant le traitement des composites, la matrice de cuivre peut être préalliée avec des éléments actifs.L'introduction d'éléments actifs dans la matrice de cuivre réduit efficacement l'angle de contact entre le diamant et le cuivre et favorise la formation d'une couche de carbure à l'interface diamant/CuCes carbures, qui peuvent être partiellement solubles dans la matrice de cuivre, aident à combler les vides interfaciaux et améliorent considérablement les performances thermiques.
Le paysage du marché et les tendances de développement
Structure du marché
Le leadership international:
Les marchés haut de gamme sont dominés par des acteurs internationaux tels que AMETEK (États-Unis) et Sumitomo Electric (Japon), qui desservent principalement les secteurs militaire et aérospatial.Heraeus (Allemagne) et Toho Titanium (Japon) mettent l'accent sur les substrats de gestion thermique pour les appareils électroniques grand public.
Progression de la production intérieure:
Les producteurs chinois (par exemple, l'Institut de recherche sur les métaux, l'Académie chinoise des sciences;Hunan Dingli Technology) ont réalisé une production de masse de substrats composites diamant/Cu de 6 pouces par des méthodes de métallurgie des poudresD'ici 2023, les entreprises chinoises ont conquis 25% de la part du marché intérieur.
Taille du marché
Selon une prévision de QY Research, le marché mondial des composites diamant/Cu devrait atteindre 1,2 milliard USD d'ici 2025, avec un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 18%.La région Asie-Pacifique devrait représenter plus de 50% de la demande mondiale.
Dans le secteur des communications 5G, la demande de modules de gestion thermique de la station de base devrait entraîner une augmentation de 300% de la consommation de matériaux composites d'ici 2024.
Les tendances à venir
Les avancées dans les technologies de diamants synthétiques:
Le coût des diamants de dépôt chimique par vapeur (CVD) devrait chuter à un dixième des niveaux actuels dans la prochaine décennie.
Applications d'intégration hétérogène:
Développement de films thermiques ultra-minces et flexibles en combinant le diamant avec des matériaux bidimensionnels tels que le graphène et le nitrure de bore.
Gestion thermique intelligente:
Intégration de capteurs de température dans les substrats diamant/Cu pour permettre une surveillance en temps réel de la distribution thermique et une régulation thermique dynamique.
Défis et orientations futures de la recherche
Les goulots d'étranglement techniques
Difficulté à obtenir simultanément une faible résistance thermique à l'interface et des rendements élevés de production de masse, limitant la pénétration des composites diamant/Cu sur les marchés de l'électronique grand public.
Problèmes persistants liés à l'oxydation de l'interface et à la diffusion des éléments pendant un service à haute température à long terme.
Directions de la recherche
Conception de l'interface biomimétique
Inspirées par les structures en couches de la nature (par exemple, le nacre), des stratégies de distribution de renforcement à plusieurs échelles sont explorées pour optimiser les performances de couplage thermo-mécanique.
Processus de fabrication écologiques:
Développement de procédés respectueux de l'environnement tels que l'électroplatage sans cyanure et le frittage à basse température pour réduire les émissions de carbone.
Composites à température ultra-haute:
Enquête sur le potentiel d'application des composites diamant/Cu dans des environnements supérieurs à 1000°C.
Conclusion
Grâce à leur conductivité thermique inégalée et à leurs avantages mécaniques complets,Les composites diamant/Cu sont en train de devenir des matériaux clés pour les appareils et applications électroniques à haute densité de puissance dans des conditions extrêmes.Malgré les défis rencontrés dans l'optimisation de l'interface et la réduction des coûts,Les progrès en cours dans les techniques de synthèse et la maturation progressive de la chaîne industrielle ouvrent la voie à une adoption plus large.
Dans l'avenir, grâce à des innovations interdisciplinaires combinant la science des matériaux, la nanotechnologie, la technologie et les technologies de l'information, les technologies de l'information et les technologies de l'information seront également utilisées.Les composites diamant/Cu devraient conduire les appareils électroniques vers des performances plus élevéesEn outre, ces matériaux joueront un rôle essentiel dans l'amélioration de l'efficacité énergétique mondiale et le soutien des initiatives de neutralité carbone.
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