ダイヤモンド/銅複合材料が限界を突破する!

November 14, 2024

最新の会社ニュース ダイヤモンド/銅複合材料が限界を突破する!

コンピューター,5G/6G,電池を含む現代電子機器の小型化,統合,高性能が継続しているため電力密度の増加により,装置内での激しいジュール加熱と高温が起こっています.効率的な熱管理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,電子部品に先進的な熱管理材料を組み込むことで,熱消耗能力を著しく向上させることができます..

 

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位体熱伝導性 (k = 2300 W/mK) を表しています.室温では熱膨張係数が非常に低い (CTE = 1 ppm/K). 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.

しかし,CTE (大きさの順序で大きな差異があるが,CTEに限らず) を含む多くの性能側面において,ダイヤモンドと銅の間に顕著な不一致がある.図 (a) に示されているように,化学的親和性 (混合不能で化学反応を受けない)図 (b) に示されているように

 

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これらの不一致は,高温製造または統合プロセス中にダイヤモンド/銅複合材の固有の低結合強さに必然的に導きます.ダイヤモンド/銅のインターフェースで高熱圧その結果,ダイヤモンド/銅複合材は,インターフェースのクラッキングに易くなり,熱伝導性が著しく低下します (ダイヤモンドと銅が直接結合すると,純粋な銅よりもはるかに低い k 値がある200W/mK以下であっても).

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の化学的変更を含む.インターフェイスで形成された移行インターレイヤーは,インターフェイス結合強さを高めることができます接口の裂け目に抵抗する際には,比較的厚いインターレイヤがより有益である.文献で言及されているように,結合効果を達成するために,介層の厚さは数百ナノメートル,微米程度である必要がありますしかし,ダイヤモンド/銅のインターフェースの移行層,例えばカービッド (例えば,TiC,ZrC,Cr3C2) は,内在熱伝導性が低い (<25 W/mK),ダイヤモンドや銅よりも数階下にあるインターフェイス熱伝送効率の向上という観点から,移行層の厚さを最小限に抑えることが不可欠です.インターフェイス熱伝導性 (G_cu-ダイヤモンド) は,インターレイヤの厚さ (d) に逆比例する.

比較的厚い移行間層は,ダイヤモンド/ダイヤモンドのインターフェイスで接着強度を向上させるのに役立ちます.インターレイヤの過度の熱抵抗がインターフェースの熱伝達を阻害するだから, 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.

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,化学結合は,ヴァン・デル・ワールス力や水素結合よりも著しく強い反対にインターフェースの両側にある熱膨張不一致 (TはCTEと温度を表す) は,ダイヤモンド/銅複合材の結合強度に影響を与えるもう一つの重要な要因です.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の大きさの差は著しい.

一般的に熱膨張不一致は常に多くの複合材料の性能に影響する重要な要因であり,冷却中に填料の周りの逸脱密度が著しく増加しているため特に,AlN/Al複合物,TiB2/Mg複合物,SiC/Al複合物,そしてこの論文で研究されたダイヤモンド/銅複合物など,非金属填料で強化された金属マトリックス複合物において.さらに,ダイヤモンド/銅複合材の調製温度は比較的高く,従来のプロセスでは通常900°Cを超えます.重要な熱膨張不一致は,簡単にダイヤモンド/銅のインターフェースで張力状態で熱ストレスを生成することができます接着力が急激に低下し,接着機能が故障します.

つまり 接点の化学状態が 接点結合強さの理論的可能性を決定します高温複合材料の製造後 表面結合強度が減少する程度を 熱不一致が決定しますしたがって,最終的な接着強度は,これらの2つの要因の相互作用の結果である.しかし,インターフェイスの化学状態を調整することによって,インターフェイス結合強度を向上させることに焦点を当てています.介層の種類,厚さ,形状などインターフェースの激しい熱不一致による接着強さの低下は,まだ十分な注意を受けていない..

 

図 (a) に示されているように,準備プロセスは3つの主要な段階からなる.ダイヤモンド粒子の表面に70nmの名義厚さの薄いチタン (Ti) コーティングが堆積される (モデル): HHD90,網格サイズ: 60/70,フアンヘ・ワイルドウィンド株式会社,河南,中国) 500°Cの無線周波数マグネトロン発射を用いて.高純度チタン標的 (純度: 99.99%) が原材料として使用されます.発射ガスとして使用されるのは,チオリン,アルゴンガス (純度99.995%) です.発射時間の調整によりチオリンコーティングの厚さを制御します.基板の回転技術が用いられる., ダイヤモンド粒子のすべての表面をスプッティング大気にさらすことができますダイヤモンド粒子のすべての表面平面にTi元素が均質に堆積されていることを確保する (主に2種類の側面を含む): (001) と (111)).

 

純銅粉末 (純度99.85 wt%,粒子の大きさ: 5?? 20 μm,Zhongnuo Advanced Materials Technology Co., Ltd,中国) と高品質の単結ダイヤモンド粒子がマトリックス (55 vol%) と強化相 (45 vol%) として使用されます.分類して.

最後に,アルコールは10^-4 Paの高真空でプレスされた複合材料から除去されます.銅・ダイヤモンド複合材料は粉末金属工法 (火花プラズマシンタリング) で密度化されますSPS) について

 

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SPSの準備過程では,低温高圧 (LTHP) シンタリング技術を革新的に提案し,それを薄いインターフェース (70nm) の修正と組み合わせました.コーティング自体によって導入される熱抵抗を減らすために比較のために,私たちはまた,伝統的な高温低圧シンタリング (HTLP) 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 技術は,ダイヤモンドと銅を密集型複合材に統合するために,従来の方法で,以前の研究で広く使用されていますこのHTLPプロセスは,通常,高濃縮温度900°C以上 (銅の溶融点に近い) と低濃縮圧約50MPaを使用します.しかし,私たちの提案されたLTHPプロセスは,シンテリング温度は600°Cに設定される.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型を硬合金型に置き換えて,シンテリング圧が300MPaまで大幅に増加できる2つのプロセスのシンテリング時間は10分である.LTHPプロセスのパラメータを最適化するための追加の詳細は,補完材料で提供されています.異なるプロセス (LTHP と HTLP) の実験パラメータは,図 (b) に示されています..

上記の研究の結果は,これらの課題を克服し,ダイヤモンド/銅複合材の熱輸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.結果として,ダイヤモンド/銅複合材は,高熱伝導性値 (k) を763 W/mKを達成した.熱膨張係数 (CTE) が 10 ppm/K 以下であるダイヤモンドの体積比率が低い場合でも高いk値は得られた (従来の粉末金属工法における典型的50~70%と比較して45%).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ることを示しています

  2. 提案された戦略では,精製されたインターフェース構造は,ダイヤモンド/TiC/CuTi2/Cuの層構造として特徴づけられました.移行層の厚さを約100nmに大幅に減少させたしかし,調製過程で熱力ストレスによる損傷が減少したため,インターフェース結合強度はコバレント結合レベルまで増加したインターフェース結合エネルギー 3.661 J/m2

  3. 精巧に設計されたダイヤモンド/銅のインターフェースの 移行層は 超薄な性質のため 熱抵抗が低い. 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)したがって,2つの潜在的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を制限する要因はもはやありません.

インターフェース結合強度はコバルント結合レベルまで効果的に増加した.しかし,インターフェース熱伝送能力 (G = 93.5 MW/m2K) は影響を受けなかった.この2つの重要な要因の間の優れたバランスを達成する分析によると,この2つの重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.

 


ZMSH の 解決策

 

銅基板 シングルクリスタル Cu ウェーファー 5x5x0.5/lmm 10x10x0.5/1mm 20x20x0.5/1mm a=3.607A

 

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アル基板 単結 アルミニウム基板 純度99/99% 5×5×1/0.5mm 10×10×1/0.5 20×20×0.5/1mm

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