مواد کامپوزیت الماس و مس، از محدودیت ها عبور می کنند!

با کوچک شدن مداوم، ادغام و عملکرد بالا دستگاه های الکترونیکی مدرن، از جمله کامپیوتر، 5G/6G، باتری،و الکترونیک قدرت افزایش تراکم قدرت منجر به گرم شدن شدید ژول و دمای بالا در دستگاه ها شده است.. این منجر به کاهش عملکرد و خرابی دستگاه می شود. مدیریت حرارتی کارآمد به یک مسئله مهم در محصولات الکترونیکی تبدیل شده است. برای کاهش این مشکل،ادغام مواد پیشرفته مدیریت حرارتی در اجزای الکترونیکی می تواند به طور قابل توجهی توانایی تبعید گرما را افزایش دهد.

الماس دارای خواص حرارتی عالی است و بالاترین رسانایی حرارتی ایزوتروپ (k = 2300 W/mK) را از بین تمام مواد فراگشایی نشان می دهد.و دارای یک ضریب گسترش حرارتی بسیار پایین (CTE = 1 ppm/K) در دمای اتاق. 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.

با این حال، تفاوت های قابل توجهی بین الماس و مس در بسیاری از جنبه های عملکرد وجود دارد، از جمله اما محدود به CTE (با تفاوت قابل توجهی در ترتیب بزرگی،همانطور که در شکل (الف) نشان داده شده است) و صمیمیت شیمیایی (آن ها غیرقابل ترکیب هستند و تحت واکنش های شیمیایی قرار نمی گیرند)، همانطور که در شکل (ب) نشان داده شده است.

این عدم تطابق ها به طور اجتناب ناپذیر منجر به قدرت اتصال ذاتی کم کامپوزیت های الماس / مس در طول فرآیندهای تولید یا ادغام در دمای بالا می شود.و همچنین فشار حرارتی بالا در رابط الماس / مسدر نتیجه، کامپوزیت های الماس / مس مستعد ترک شدن رابط هستند، که باعث کاهش قابل توجهی در رسانایی حرارتی می شود (وقتی الماس و مس به طور مستقیم با هم متصل می شوند،ارزش k آنها می تواند بسیار کمتر از مس خالص باشد، حتی کمتر از 200 ولت/میلی کیلوگرم).

در حال حاضر، روش اصلی بهبود شامل اصلاح شیمیایی رابط الماس / الماس از طریق آلیاژ فلز یا فلز سطح است.لایه انتقالی تشکیل شده در رابط می تواند قدرت اتصال رابط را افزایش دهد، و یک لایه متقابل نسبتا ضخیم تر در مقاومت در برابر ترک های رابط مفیدتر است. همانطور که در ادبیات اشاره شده است، برای دستیابی به اثر چسبندگی،ضخامت لایه بین باید در حدود صدها نانومتر یا حتی میکرومتر باشد.با این حال، لایه های انتقالی در رابط الماس / مس، مانند کاربید (به عنوان مثال، TiC، ZrC، Cr3C2) ، رسانایی حرارتی داخلی پایین تر (< 25 W / mK) را نشان می دهند.چند درجه کوچک تر از الماس یا مساز منظر بهبود بهره وری انتقال گرما در بین سطوح، حداقل کردن ضخامت لایه بین المللی ضروری است، زیرا بر اساس مدل مقاومت حرارتی،رسانایی حرارتی رابط (G_cu-diamond) معکوس نسبت به ضخامت میان لایه (d) است..

در حالی که یک لایه انتقالی نسبتا ضخیم تر به بهبود قدرت اتصال سطح در رابط الماس / الماس کمک می کند،مقاومت حرارتی بیش از حد لایه میانجی مانع انتقال گرما از طریق رابط می شودبنابراین، 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.

وضعیت شیمیایی رابط، قدرت اتصال بین مواد ناهمگن را تعیین می کند. به عنوان مثال،پیوندهای شیمیایی به طور قابل توجهی قوی تر از نیروهای ون در والز یا پیوندهای هیدروژن هستند.از طرف ديگه،عدم تطابق گسترش حرارتی در هر دو طرف رابط (که در آن T نشان دهنده CTE و درجه حرارت است) یکی دیگر از عوامل حیاتی است که بر قدرت پیوند کامپوزیت های الماس / مس تأثیر می گذارد.همانطور که در شکل (الف) نشان داده شده است، تفاوت قابل توجهی در ترتیب بزرگی ضریب گسترش حرارتی بین الماس و مس وجود دارد.

به طور کلی،عدم تطابق انبساط حرارتی همیشه یک عامل کلیدی بوده است که بر عملکرد بسیاری از کامپوزیت ها تأثیر می گذارد زیرا تراکم خلع در اطراف پرکننده در طول خنک شدن به طور قابل توجهی افزایش می یابد، به خصوص در کامپوزیت های متریکسی فلزی تقویت شده با پرکننده های غیر فلزی، مانند کامپوزیت های AlN/Al، TiB2/Mg، کامپوزیت های SiC/Al و کامپوزیت های الماس / مس مورد مطالعه در این مقاله.علاوه بر این، دمای آماده سازی کامپوزیت های الماس / مس نسبتاً بالا است و معمولاً در فرآیندهای متعارف بیش از 900 °C است.عدم تطابق قابل توجهی در گسترش حرارتی می تواند به راحتی استرس حرارتی را در حالت کشش در رابط الماس / مس ایجاد کند، که منجر به کاهش شدید چسبندگی رابط و حتی شکست رابط می شود.

به عبارت دیگر، حالت شیمیایی رابط، پتانسیل نظری برای قدرت اتصال رابط را تعیین می کند.در حالی که عدم تطابق حرارتی میزان کاهش قدرت اتصال بین سطوح را پس از ساخت کامپوزیت با دمای بالا تعیین می کند.بنابراین، قدرت اتصال نهایی رابط نتیجه تعامل بین این دو عامل است.بیشتر مطالعات فعلی بر بهبود قدرت اتصال رابط با تنظیم وضعیت شیمیایی رابط تمرکز دارند، مانند از طریق نوع، ضخامت و مورفولوژی لایه بین المللی.کاهش قدرت چسبندگی رابط به دلیل عدم تطابق شدید حرارتی در رابط هنوز توجه کافی به دست نیاورده است.

فرآیند آماده سازی، همانطور که در شکل (الف) نشان داده شده است، شامل سه مرحله اصلی است.ضخامت اسمی 70 نانومتر از یک پوشش نازک تیتانیوم (Ti) بر روی سطح ذرات الماس قرار می گیرد (مدل: HHD90، اندازه میش: 60/70, Huanghe Whirlwind Co., Ltd., Henan, China) با استفاده از اسپتر کردن ماگنترون فرکانس رادیویی در 500 °C. اهداف تیتانیوم با خلوص بالا (خلوص 99.99٪) به عنوان مواد اولیه استفاده می شود.، و گاز آرگون (خالصیت: 99.995%) به عنوان گاز اسپوتینگ عمل می کند. ضخامت پوشش Ti با تنظیم زمان رسوب کنترل می شود.یک تکنیک چرخش بستر مورد استفاده قرار می گیرد، اجازه می دهد تمام سطوح ذرات الماس در معرض اتمسفر اسپوتر قرار بگیرند،اطمینان از اینکه عنصر Ti به طور یکنواخت در تمام سطوح سطح ذرات الماس قرار دارد (به طور عمده شامل دو نوع جنبه است): (001) و (111)).

دوم، در طول فرآیند مخلوط کردن مرطوب، الکل 10٪ در وزن اضافه می شود تا توزیع یکنواخت ذرات الماس در ماتریس مس را تضمین کند.اندازه ذرات: 5 ′′20 μm، Zhongnuo Advanced Materials Technology Co., Ltd، چین) و ذرات الماس تک کریستالی با کیفیت بالا به عنوان ماتریس (55 vol%) و فاز تقویت کننده (45 vol%) استفاده می شود.به ترتیب.

در نهایت، الکل از مواد کامپوزیت پیش فشرده شده در خلاء بالا 10^-4 Pa حذف می شود.و مواد کامپوزیت مس الماس با استفاده از روش های فلزاتاسیون پودر (سیستر کردن پلاسمای جرقه) متراکم می شوند.، SPS).

در فرآیند آماده سازی SPS، ما به طور نوآورانه یک تکنیک سینتر کردن با دمای پایین و فشار بالا (LTHP) را پیشنهاد کردیم، و آن را با اصلاح رابط نازک (70 نانومتر) ترکیب کردیم.برای کاهش مقاومت حرارتی ایجاد شده توسط پوشش خودبرای مقایسه، ما همچنین مواد کامپوزیت را با استفاده از فرآیند سنتری سنتی با دمای بالا و فشار پایین (HTLP) آماده کردیم.تکنیک سینتر کردن HTLP یک روش متعارف است که در کارهای قبلی به طور گسترده ای برای ادغام الماس و مس در کامپوزیت های متراکم استفاده می شوداین فرآیند HTLP به طور معمول از دمای سینتر کردن بالای بیش از 900 درجه سانتیگراد (نزدیک به نقطه ذوب مس) و فشار سینتر کردن پایین حدود 50 MPa استفاده می کند.دمای سینتر کردن در 600°C تنظیم شده استدر عین حال، با جایگزینی قالب های گرافیتی سنتی با قالب های آلیاژ سخت،فشار سینتر کردن می تواند به طور قابل توجهی به 300 MPa افزایش یابدزمان سینتر کردن برای هر دو فرآیند 10 دقیقه است. جزئیات اضافی در مورد بهینه سازی پارامترهای فرآیند LTHP در مواد مکمل ارائه شده است.پارامترهای تجربی برای فرآیندهای مختلف (LTHP و HTLP) در شکل (ب) نشان داده شده است..

نتیجه گیری های تحقیقات فوق به منظور غلبه بر این چالش ها و روشن کردن مکانیسم های بهبود خواص حمل حرارتی الماس/کامپوزیت مس است:

1. یک استراتژی ادغام جدید توسعه یافته است که ترکیبی از تغییر رابط بسیار نازک با فرآیند سینتر LTHP است.ترکیب الماس / مس حاصل از آن به یک مقدار رسانایی حرارتی بالا (k) 763 W / mK رسید، با ضریب گسترش حرارتی (CTE) کمتر از 10 ppm/K. علاوه بر این،یک مقدار k بالا حتی در یک کسری حجم الماس پایین تر (45٪ در مقایسه با 50٪ -70٪ معمول در فرآیندهای متالوریک پودر معمولی) حاصل شد.، نشان می دهد که هزینه ها می توانند به طور قابل توجهی با کاهش مقدار پرکننده الماس کاهش یابد.

2. از طریق استراتژی پیشنهادی، ساختار رابط دقیق به عنوان یک ساختار لایه دار از الماس/TiC/CuTi2/Cu مشخص شد.که ضخامت لایه گذار را به میزان قابل توجهی به حدود 100 نانومتر کاهش داد.، بسیار کمتر از چند صد نانومتر یا حتی میکرومتری که قبلاً استفاده می شد. با این حال، به دلیل کاهش آسیب استرس حرارتی در طول فرآیند آماده سازی،قدرت پیوند رابط هنوز به سطوح پیوند همجوشی افزایش یافته است، با انرژی اتصال رابط 3.661 J/m2.

3. به دلیل ماهیت فوق العاده نازک آن، لایه انتقالی رابط الماس / مس با دقت ساخته شده مقاومت حرارتی پایین را نشان می دهد. 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)بنابراین، دو تنگنای بالقوه انتقال حرارتی دیگر عوامل محدود کننده ای برای رابط الماس / مس نیستند.

قدرت پیوند رابط به طور موثر به سطوح پیوند همجوشی افزایش یافت. با این حال، توانایی انتقال حرارتی رابط (G = 93.5 MW / m2K) تحت تأثیر قرار نگرفت.دستیابی به تعادل عالی بین این دو عامل حیاتیتحلیل ها نشان می دهد که بهبود همزمان این دو عامل کلیدی دلیل هدایت گرما برتر کامپوزیت های الماس / مس است.

 

راه حل ZMSH

سوبسترات مس یک کریستال Cu 5x5x0.5/lmm 10x10x0.5/1mm 20x20x0.5/1mm a=3.607A

Al زیربنای یک کریستال خالصیت زیربنای آلومینیوم 99/99% 5×5×1/0.5 mm 10×10×1/0.5 20x20x0.5/1mm