مواد کامپوزیت الماس / مس (Cu) برای رسانایی حرارتی بالا و کاربردهای عملکرد مکانیکی بهبود یافته

مواد کامپوزیت الماس / مس (Cu) برای رسانایی حرارتی بالا و کاربردهای عملکرد مکانیکی بهبود یافته

از دهه 1980، سطح یکپارچه سازی مدارهای درون قطعات الکترونیکی با نرخ 1.5 برابر یا حتی سریعتر در سال افزایش یافته است.با افزایش سطح ادغام مدارهای یکپارچه، جریان به همین ترتیب افزایش می یابد، تولید گرما بیشتر در طول کار. اگر گرما به موقع از بین نرود،می تواند باعث آسیب حرارتی به قطعات الکترونیکی شود و عمر آنها را کاهش دهد.بنابراین، برای پاسخگویی به نیازهای رو به رشد تبعید گرما از اجزای الکترونیکی، مواد بسته بندی الکترونیکی با رسانایی حرارتی بالا به طور مداوم مورد تحقیق و بهینه سازی قرار گرفته است.

فلزات خالص مانند Cu، Ag و Al رسانایی حرارتی بالا دارند اما نرخ گسترش حرارتی بیش از حد بالا دارند. مواد آلیاژی مانند Cu-W و Cu-Mo رسانایی حرارتی پایین تری دارند. بنابراین،برای اطمینان از عملکرد عادی قطعات الکترونیکی و افزایش عمر آنها، نیاز فوری به توسعه مواد بسته بندی جدید با رسانایی حرارتی بالا و ضریب گسترش حرارتی مناسب وجود دارد. الماس در حال حاضر به عنوان سخت ترین ماده طبیعی شناخته شده است،با سختي موس 10، و همچنین یکی از مواد طبیعی با بالاترین رسانایی حرارتی است، که به 200 تا 2200 W/ (((m·K) می رسد.کامپوزیت های الماس/سنگ که از مس به عنوان ماتریس و الماس به عنوان تقویت کننده استفاده می کنند، به طور گسترده ای به عنوان مواد بسته بندی الکترونیک جریان اصلی آینده با رسانایی حرارتی بالا در نظر گرفته می شوند..

کامپوزیت الماس / مس یک ماده کامپوزیت با عملکرد بالا است که از الماس تشکیل شده است

روش های آماده سازی متداول برای کامپوزیت های الماس / مس عبارتند از: فلزات پودری ، دمای بالا و فشار بالا ، نفوذ ذوب ، سینتر کردن پلاسمای جرقه ، اسپری سرد و دیگران.

(1) فلزات سازی پودر

ذرات الماس را بادر طول فرآیند مخلوط کردن، مقدار خاصی از مواد اتصال دهنده و تشکیل دهنده را می توان اضافه کرد.سینتر کردن برای به دست آوردن کامپوزیت های الماس/Cu با رسانایی حرارتی بالا انجام می شود.متالورژی پودر یک فرآیند ساده با هزینه نسبتاً کم است و یک تکنیک سینتر نسبتاً بالغ است. با این حال، پودر های حاصل دارای تراکم پایین و میکروسروتکل داخلی نابرابر هستند.علاوه بر این، نمونه های آماده شده معمولاً در اندازه محدود و شکل ساده هستند، که دستیابی مستقیم به مواد رسانای حرارتی برتر را دشوار می کند.

(2) دمای بالا و فشار بالا

(3) نفوذ ذوب

(4) سینتر کردن پلاسما با جرقه (SPS)

(5) اسپری سرد

رسوب سرد شامل قرار دادن دو پودر مخلوط در یک اتاق کوره است، که پس از ذوب فلز و اتم سازی فلز مایع،ذرات به صورت اسپری و روی یک صفحه ی سبست قرار می گیرند تا مواد کامپوزیتی به دست آورند..

استراتژی ها برای حل مسائل رابط بین الماس و ماتریس Cu استفاده می شود

برای ساخت مواد کامپوزیت، رطوبت متقابل بین اجزای یک شرط ضروری برای ترکیب موفقیت آمیز است.و نقش مهمی در تعیین ساختار رابط و حالت اتصال دارد. رطوبت ضعیف بین الماس و مس منجر به مقاومت حرارتی بالای رابط می شود. بنابراین رویکردهای فنی مختلفی برای اصلاح رابط الماس-Cu مورد بررسی قرار گرفته است.که برای بهبود عملکرد کامپوزیت ها ضروری است..

در حال حاضر دو استراتژی اصلی برای رسیدگی به مسائل رابط بین الماس و ماتریس Cu استفاده می شود:

تغییر سطح الماس
پوشش سطح ذرات الماس با عناصر فعال مانند Mo، Ti، W یا Cr می تواند به طور قابل توجهی ویژگی های رابط را بهبود بخشد.این عناصر با کربن روی سطح الماس واکنش نشان می دهند تا یک لایه انتقال کاربید ایجاد کنند.علاوه بر این، چنین پوشش هایی می توانند ساختار الماس را در برابر تخریب در دمای بالا محافظت کنند.

آلیاژ مادۀ مس

قبل از پردازش کامپوزیت، ماتریس مس می تواند با عناصر فعال از پیش آلیاژ شود. این روش آلیاژ از قبل، کامپوزیت هایی را با رسانایی حرارتی عموماً بالاتر تولید می کند.معرفی عناصر فعال در ماتریس مس به طور موثر زاویه تماس بین الماس و مس را کاهش می دهد و باعث تشکیل یک لایه کاربید در رابط الماس / Cu می شوداین کاربایدها که می توانند تا حدودی در ماتریس مس محلول باشند، به پر کردن خلاهای رابط کمک می کنند و عملکرد حرارتی را به طور قابل توجهی بهبود می بخشند.

چشم انداز بازار و روند توسعه

ساختار بازار

رهبری بین المللی:
بازارهای پیشرفته توسط بازیگران بین المللی مانند AMETEK (ایالات متحده) و Sumitomo Electric (ژاپن) تحت سلطه هستند که عمدتاً به بخش های نظامی و هوافضا خدمت می کنند.Heraeus (آلمان) و Toho Titanium (ژاپون) بر روی زیربناهای مدیریت حرارتی برای الکترونیک مصرفی تمرکز می کنند.

پیشرفت تولید داخلی:
تولید کنندگان چینی (به عنوان مثال، موسسه تحقیقات فلزات، آکادمی علوم چین؛Hunan Dingli Technology) تولید انبوه زیربناهای ترکیبی الماس/Cu 6 اینچی را از طریق روش های فلزات سازی پودر به دست آورده اندتا سال 2023، شرکت های چینی 25 درصد از سهم بازار داخلی را به دست می آورند.

اندازه بازار

بر اساس پیش بینی QY Research، بازار کامپوزیت الماس/Cu جهانی تا سال 2025 به 1.2 میلیارد دلار آمریکا خواهد رسید و نرخ رشد سالانه 18 درصد خواهد بود.انتظار می رود که منطقه آسیا و اقیانوس آرام بیش از 50 درصد از تقاضای جهانی را داشته باشد..

در بخش ارتباطات 5G، انتظار می رود تقاضا برای ماژول های مدیریت حرارتی ایستگاه های پایه تا سال 2024 باعث افزایش 300 درصدی مصرف مواد ترکیبی شود.

روند آینده

پیشرفت های تکنولوژی الماس مصنوعی:
انتظار می رود که هزینه الماس های تخلیه بخار شیمیایی (CVD) در دهه آینده به یک دهم سطح فعلی کاهش یابد.

برنامه های کاربردی ادغام ناهمگن:
توسعه فیلم های حرارتی بسیار نازک و انعطاف پذیر با ترکیب الماس با مواد دو بعدی مانند گرافین و نیترید بور.

مدیریت حرارتی هوشمند:
ادغام سنسورهای دمایی به زیربناهای الماس/Cu برای امکان نظارت بر توزیع حرارتی در زمان واقعی و تنظیم پویا حرارتی.

چالش ها و مسیرهای تحقیقاتی آینده

مشکلات فنی

دشواری در دستیابی به مقاومت حرارتی سطح پایین و بازده تولید انبوه بالا، محدود کردن نفوذ کامپوزیت های الماس / Cu در بازارهای الکترونیک مصرفی.

مشکلات مداوم با اکسیداسیون رابط و انتشار عناصر در طول مدت طولانی در دمای بالا

مسیرهای تحقیق

طراحی رابط بیومیمیتیک:
با الهام از ساختارهای لایه دار در طبیعت (به عنوان مثال، نکر) ، استراتژی های توزیع تقویت چند مقیاس برای بهینه سازی عملکرد اتصال ترمو مکانیکی مورد بررسی قرار می گیرند.

فرآیند های تولید سبز:
توسعه فرآیندهای سازگار با محیط زیست مانند الکتروپلاستی بدون سیانید و سینتر کردن در دمای پایین برای کاهش انتشار کربن.

مرکبات درجه حرارت فوق العاده بالا:
تحقیق در مورد پتانسیل کاربرد کامپوزیت های الماس/Cu در محیط های بالاتر از 1000 درجه سانتیگراد.

نتیجه گیری

با تشکر از رسانایی حرارتی بی نظیر و مزایای مکانیکی جامع،کامپوزیت های الماس/Cu به عنوان مواد کلیدی برای دستگاه های الکترونیکی با چگالی قدرت بالا و برنامه های کاربردی در شرایط شدید در حال ظهور هستندبا وجود چالش هایی که در بهینه سازی رابط و کاهش هزینه ها وجود دارد،پیشرفت های مداوم در تکنیک های مصنوعی و بلوغ تدریجی زنجیره صنعتی راه را برای پذیرش گسترده تر فراهم می کند.

در آینده، از طریق نوآوری های میان رشته ای که علوم مواد، نانوتکنولوژی،انتظار می رود که کامپوزیت های الماس/Cu دستگاه های الکترونیکی را به سمت عملکرد بالاتر هدایت کنند.علاوه بر این، این مواد نقش مهمی در افزایش بهره وری انرژی جهانی و حمایت از ابتکارات خنثی سازی کربن خواهند داشت.

سایر توصیه های مربوط به محصول

سوبسترات مس واحد کریستال Cu Wafer 5x5x0.5/lmm 10x10x0.5/1mm 20x20x0.5/1mm