ダイヤモンド/銅複合材料 限界を突破!
コンピューター,5G/6G バッテリー パワーエレクトロニクスなど電力密度の増加は,デバイスチャネルにおける激しい熱と高温につながります効率的な熱消耗は電子製品の重要な問題になっています.この問題を解決するために,電子機器に先進的な熱管理材料を組み込むことで,熱を散らす能力を大幅に改善できます.
ダイヤモンドは優れた熱特性を持ち,すべての散装材料の中で最も高い同性熱伝導性 (k=2300W/mK),室温での熱膨張係数が非常に低い (CTE=1ppm/K)ダイヤモンド粒子強化銅マトリックス (ダイヤモンド/銅) 複合材料は,新しい世代の熱管理材料として,高い k 値と調整可能な CTE の可能性により,大きな注目を集めています..
しかし,CTE (大きさの順序の明らかな差異) を含む多くの性質において,ダイヤモンドと銅の間の大きな不一致があります.図 (a) に示すように,化学的親和性 (固体溶液がない)図 (b) に示されているように,化学反応はありません.
銅とダイヤモンドの間の性能の重要な差異 (a) 熱膨張係数 (CTE) と (b) 段階図
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 compositesその結果,ダイヤモンド/銅複合材は,必然的にインターフェースの裂け目問題に直面し,熱伝導性が大幅に低下します (ダイヤモンドと銅が直接結合すると,純銅よりもはるかに低い (< 200W/mK).
現在,主な改良方法は,金属合金または表面金属化によってダイヤモンド/ダイヤモンドのインターフェースを化学的に変更することです.インターフェースに形成された移行インターレイヤーは,インターフェース結合力を向上させる比較的に厚い中間層は,インターフェースの裂け目に耐えるのに優れています.参照のように,結合を達成するために,介層の厚さは数百ナノメートル,微メートルでも必要ですしかし,ダイヤモンド/銅のインターフェースの過渡層,例えばカービッド (TiC,ZrC,Cr3C2,など) は,内在的な熱伝導性が低い (<25W/mK,ダイヤモンドや銅よりも数階位の小さい)インターフェースの熱消耗効率を向上させる観点から,移行サンドイッチの厚さを最小限に抑える必要があります.熱抵抗系列モデルによるとインターフェース熱伝導性 (G 銅-ダイヤモンド) はサンドイッチ (d) の厚さに逆比例する:
比較的厚い移行層は,ダイヤモンド/ダイヤモンドインターフェースのインターフェース結合力を向上させるのに有利です.しかし,インターレイヤの過度の熱抵抗は,インターフェース熱伝達に有利ではない.だから, 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.
インターフェースの化学状態が異質な材料間のインターフェイス結合強度を決定します.例えば,ヴァン・デル・ワールス力や水素結合よりもはるかに高い一方,インターフェースの両側間の熱膨張不一致 (TがCTEと温度を指す)ダイヤモンド/銅複合材の接点結合強度を決定するもう一つの重要な要因である.上記図 (a) に示されているように,ダイヤモンドと銅の熱膨張係数は大きさの順序で明らかに異なる.
一般的に,熱膨張不一致は,冷却中に填料の周りの逸脱密度が著しく増加するため,多くの複合材料の性能に影響を与える重要な要因となっています.特に,非金属製の填料で強化された金属マトリックス複合材料この論文で研究されたAlN/Al複合材料,TiB2/Mg複合材料,SiC/Al複合材料,ダイヤモンド/銅複合材料など.ダイヤモンド/銅複合材は,より高い温度で調製されます.明らかに熱膨張不一致は,ダイヤモンド/銅インターフェースの拉伸状態で熱ストレスを生成することが容易です.インターフェースの粘着が急激に低下し,インターフェースの故障さえも.
表面結合強さの理論的可能性を決定します 表面結合強度はそして熱不一致は,複合材料の高温調製後の接面結合強度の減少度を決定しますしたがって,最終的なインターフェース結合力は上記の2つの要因の間のゲームの結果である.しかし,インターフェースの化学状態を調整することで,インターフェース結合強度を向上させることに焦点を当てています.しかし,深刻な熱不一致によって引き起こされるインターフェース結合強さの低下には十分な注意を払われていない.
コンクリート実験
図 (a) に示すように,準備プロセスは3つの主要段階からなる.ダイヤモンド粒子の表面に名前の厚さ70nmの超薄型Tiコーティングが堆積された (モデル)HHD90,網状: 60/70,ヘナン・フアンヘ・サイクロン・コー., LTD., 中国) 500°CでRFマグネトロンのスプッタリング堆積法による. 高純度チタンプレート (純度: 99.99%) がチタン標的として使用されます (原材料)発射ガスとしてアルゴン (純度99.995%) が使用される.発射時間の制御によりチタンコーティングの厚さが制御される.材料の回転技術を使用して,ダイヤモンド粒子のすべての面を噴射空気にさらします.ダイヤモンド粒子のすべての表面平面に均等に堆積されている (主に2つの側面を含む: (001) と (111)).10wt%のアルコールが湿った混合プロセスで加えられ,ダイヤモンド粒子は銅マトリックスに均等に分布されます.純粋な銅粉末 (純度: 99.85wt%,粒子の大きさ: 5 ~ 20μm,中国Zhongnuo先進材料技術株式会社,LTD.) と高品質の単結晶ダイヤモンド粒子がマトリックス (55vol%) と強化 (45vol%) として使用されます.最後に,プレスされた複合材料のアルコールが10-4Paの高真空で除去されます.そして,銅とダイヤモンド複合体は粉末金属工法 (スパークプラズマシンタリング) で密度化されます.SPS) について
(a) ダイヤモンド/銅複合材の調製過程の図図 (b) SPS粉末金属加工における異なる調合過程
SPSの準備過程では,低温高圧 (LTHP) シンタリングプロセスを革新的に提案し,超薄層 (70nm) のインターフェース修正と組み合わせました.コーティングそのものの熱抵抗の導入を減らすためにこの研究では,超薄インターフェース改変層 (70nm) が使用されました. 比較のために,私たちはまた伝統的な高温低圧 (HTLP) シンタリングプロセスを用いて複合材料を準備しました.HTLP シンタリング プロセスは,ダイアモンドと銅を密集型材料に統合するために,以前に報告された研究で広く使用されている伝統的な製法ですこのHTLPプロセスは,通常,高濃縮温度>900°C (銅の溶融点に近い) と低濃縮圧~50MPaを使用します.しかし,私たちの提案されたLTHPプロセスでは,シンテリング温度は600°Cとする銅の溶融点よりかなり低い.同時に,伝統的なグラフィット模具をセメント化カービッド模具に置き換えることで,シンテリング圧は300MPaに大幅に増加することができます.上記の2つのプロセスのシンテリング時間は10分ですLTHP プロセスパラメータの最適化について,補足資料で補足的な説明を行いました.異なるプロセス (LTHP と HTLP) の詳細な実験パラメータは,上の図 (b) に示されています..
結論
上記の研究は,これらの課題を克服し,ダイヤモンド/銅複合材の熱伝送性能を改善するためのメカニズムを明らかにすることを目的としています.
1超薄インターフェースの改変とLTHPシンタリングプロセスを組み合わせる新しい統合戦略が開発されました.獲得されたダイヤモンド/銅複合材は,高いk値763W/mKとCTE値10ppm/K未満を達成する.同時期に,より低いダイヤモンド体積分 (45%),従来の粉末金属工法では50%~70%と比べて,より高いk値が得られる.ダイヤモンドの詰め物量を減らすことでコストを大幅に削減できます.
2提案された戦略により,微細なインターフェース構造はダイヤモンド/TiC/CuTi2/Cu層構造として特徴付けられ,移行層間の厚さを約100nmに大幅に減少させ,これまで使用されていた数百ナノメートルや数ミクロンよりもはるかに小さいしかし,調製過程で熱ストレス損傷が減少したため,接面結合強度はコバルント結合レベルまで改善されます.表面結合エネルギーは 3 です..661J/m2
3超薄い厚さにより,慎重に作られたダイヤモンド/銅のインターフェース 移行サンドイッチは,低熱耐性を持っています.同時に,MDとAb-initioのシミュレーション結果は,ダイヤモンド/チタンカービッドのインターフェースが良いフォノン特性マッチングと優れた熱伝送能力 (G>800MW/m2K) を有していることを示していますしたがって,2つの可能な熱伝送ボトルネックが,ダイヤモンド/銅のインターフェースで制限する要因はもはやありません.
4インターフェイス結合強度は共性結合レベルまで効果的に改善されます.しかし,インターフェイス熱伝達能力 (G=93.5MW/m2K) は影響を受けませんでした.この2つの重要な要因の間の優れたバランスを生み出す分析によると,この2つの主要な要因の同時改善がダイヤモンド/銅複合材の優れた熱伝導性の理由である.
