高熱伝導性および強化された機械性能アプリケーションのためのダイヤモンド/銅 (Cu) 複合材料

高熱伝導性および強化された機械性能アプリケーションのためのダイヤモンド/銅 (Cu) 複合材料

1980年代以降,電子部品内の回路の統合レベルは,毎年1.5倍,さらに高速に増加しています.集積回路の統合レベルが上昇するにつれて熱が間に合うように散らばらない場合,電子部品に熱損傷を与え,使用期間を短縮するしたがって,電子部品の熱消耗の増大する要求を満たすために,高熱伝導性を持つ電子包装材料は,継続的に研究され最適化されています.

純金属であるCu,Ag,Alは高熱伝導性があるが,過度に高熱膨張率がある. Cu-W,Cu-Moなどの合金材料は低熱伝導性がある.したがって,電子部品の正常な動作を保証し,使用期間を延長する熱伝導性が高く,適切な熱膨張係数を持つ新しい包装材料の開発が緊急に必要である.ダイヤモンドは現在最も硬い天然材料として知られています.モース硬度 10ダイヤモンドと銅の熱性能を組み合わせると,この材料は,熱伝導性が最大で200〜2200W/mKに達する天然材料の1つである.ダイヤモンド/銅複合材料は,銅をマトリックスとダイヤモンドを強化材として使用し,将来的に主流の高熱伝導性の電子包装材料として広く見なされています..

ダイヤモンド/銅複合材料は,ダイヤモンドから構成された高性能複合材料です

ダイヤモンド/銅複合材料の一般的な調製方法には:粉末金属工,高温高圧,溶融浸透,火花プラズマシンタリング,冷噴霧などがあります.

(1) 粉末金属加工

ダイヤモンドの粒子を混ぜる過程で,一定量の結合剤と形作剤を加えることができます.混合した粉末と添加剤を圧縮して形にすると,高熱伝導性のダイヤモンド/Cu複合材料を得るため,シンタリングが行われます.粉末金属工学は,比較的低コストで単純なプロセスであり,比較的成熟したシンタリング技術である.しかし,その結果として生成される粉末は低密度で不均質な内部微細構造を有する.さらに製造されたサンプルは,サイズが限られ,形が単純で,熱伝導性が優れている材料を直接得ることが困難です.

(2) 高温 と 高圧

(3) 溶け込み

(4) スパーク・プラズマ・シンタリング (SPS)

(5) 冷たいスプレー

冷噴霧による堆積は 混ぜた2つの粉末を 炉室に入れて 金属を溶かして 液体金属を原子化した後粒子はスプレーされ,基板に堆積され,複合材料が得られる..

ダイヤモンドとCuマトリックスとの間のインターフェースの問題に対処するために戦略が採用されています

複合材料の製造においては,部品間の相互の湿度が成功する複合材料の製造の必須条件である.インターフェイス構造と結合状態を決定する上で重要な役割を果たします. ダイヤモンドと銅の間の湿度が低いため,高温抵抗性がある.したがって,ダイヤモンドとCuのインターフェースを修正するための様々な技術アプローチが検討されています.複合材料の性能を改善するために重要なものです.

現在,ダイヤモンドとCuマトリックスとの間のインターフェース問題を解決するために,2つの主要な戦略が採用されています.

ダイヤモンドの表面変形
ダイヤモンド粒子の表面をMo,Ti,W,またはCrなどの活性元素で覆うことは,インターフェイス特性を著しく改善することができます.これらの元素は,ダイヤモンド表面の炭素と反応し,カービッドの移行層を形成しますさらに,このようなコーティングは,高温でダイヤモンド構造を分解から保護することができます.

銅マトリスの合金

複合材料の加工前には,銅マトリックスが活性元素で前合金され得る.この前合金方法により,一般的により高い熱伝導性を有する複合材料が生産される.銅マトリックスに活性元素を導入することで,ダイヤモンドと銅との接触角を効果的に減少させ,ダイヤモンド/Cu インターフェースでカービッド層の形成を促進しますこれらのカービッドは,銅マトリックスに部分的に溶けることができ,インターフェイス上の空白を埋め,熱性能を著しく改善します.

市場景観と発展傾向

市場構造

国際的なリーダーシップ
高級市場は,主に軍用および航空宇宙部門にサービスを提供する AMETEK (米国) とSumitomo Electric (日本) などの国際企業が支配しています.ヘラエウス (ドイツ) とトホーチタン (日本) は,消費電子機器の熱管理基板に焦点を当てています.

国内生産の進歩:
中国の製造業者 (例えば,金属研究研究所,中国科学アカデミー;粉末金属工法による6インチダイヤモンド/Cu複合材料基板の大量生産を達成しました2023年までに中国企業は国内市場シェアの 25%を占めることになるでしょう

市場規模

QY Researchの予測によると,世界のダイヤモンド/Cu複合材料市場は2025年までに12億米ドルに達すると予測されており,年間成長率は18%である.世界需要の50%以上をアジア・太平洋地域が占めると予想されています.

5G通信分野では,ベースステーション熱管理モジュールの需要が2024年までに複合材料の消費量を300%増加させると予想されています.

未来 の 傾向

合成ダイヤモンド技術における突破:
化学蒸気沉積 (CVD) ダイヤモンドのコストは 今後10年以内に 現在の10分の"に低下すると予想されています

異質統合アプリケーション:
超薄で柔軟な熱フィルムの開発 ダイヤモンドをグラフェンやボロンナイトリドなどの二次元材料で複合することで

スマート熱管理
熱分布のリアルタイムモニタリングと動的熱調節を可能にするために,温度センサーをダイヤモンド/Cu基板に統合する.

課題と将来の研究方向性

技術的なボトルネック

低面熱耐性と高量生産の生産率を同時に達成する難しさにより,ダイヤモンド/Cu複合材の消費電子市場への浸透が制限される.

インターフェースの酸化と元素の拡散で 長期間の高温使用で 持続的な問題がある

研究方向性

生物模倣インターフェース設計:
自然界の層構造 (例えば,ナクラ) からインスピレーションを得て,熱機械的な結合性能を最適化するために,多尺度強化配送戦略が調査されています.

緑の製造プロセス
炭素排出量を減らすため,シアン化のない電圧塗装や低温シンタリングなどの環境に優しいプロセスを開発する.

超高温複合材料:
ダイヤモンド/Cu複合材料の1000°Cを超える環境での応用可能性の研究

結論

卓越した熱伝導性と 機械的な利点のおかげでダイヤモンド/Cu複合材は 極端な条件下で 高容量電子機器やアプリケーションの 重要な材料として出現していますインターフェースの最適化とコスト削減の課題に直面しているにもかかわらず合成技術における継続的な進歩と産業連鎖の徐々に成熟は,より広範な採用の道を開いています.

材料科学,ナノテクノロジーを組み合わせた 分野間革新によって電子機器をより高い性能に導くことが期待されていますさらに,これらの材料は,世界のエネルギー効率の向上と炭素中立化イニシアチブを支援する上で重要な役割を果たします.

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