Los materiales compuestos diamante/cobre, rompiendo con las limitaciones!

Con la miniaturización continua, la integración y el alto rendimiento de los dispositivos electrónicos modernos, incluidas las computadoras, 5G/6G, baterías,El aumento de la densidad de potencia ha dado lugar a un calentamiento en Joule y a altas temperaturas dentro de los dispositivos.La eficiencia de la gestión térmica se ha convertido en un problema importante en los productos electrónicos.La integración de materiales avanzados de gestión térmica en componentes electrónicos puede mejorar significativamente su capacidad de disipación de calor.

Los diamantes poseen excelentes propiedades térmicas, mostrando la conductividad térmica isotrópica más alta (k = 2300 W/mK) entre todos los materiales a granel,y tienen un coeficiente de expansión térmica extremadamente bajo (CTE = 1 ppm/K) a temperatura ambiente. 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.

Sin embargo, hay notables desajustes entre el diamante y el cobre en muchos aspectos de rendimiento, incluyendo pero no limitado a CTE (con una diferencia significativa en orden de magnitud,como se muestra en la figura a) y afinidad química (son immiscibles y no sufren reacciones químicas), como se muestra en la figura b).

Estos desajustes conducen inevitablemente a la baja resistencia de unión inherente de los compuestos de diamante/cobre durante los procesos de fabricación o integración a altas temperaturas,así como una alta tensión térmica en la interfaz diamante/cobrePor consiguiente, los compuestos diamante/cobre son propensos a agrietarse en la interfaz, lo que reduce significativamente la conductividad térmica (cuando el diamante y el cobre están directamente unidos, el metal se vuelve más resistente a la corrosión).su valor k puede ser mucho menor que el del cobre puro, incluso por debajo de 200 W/mK).

En la actualidad, el principal método de mejora consiste en la modificación química de la interfaz diamante/diamante mediante aleación de metales o metalización de la superficie.La capa de transición formada en la interfaz puede mejorar la resistencia de unión de la interfaz, y una capa intermedia relativamente más gruesa es más beneficiosa para resistir el agrietamiento de la interfaz.el grosor de la capa intermedia debe ser del orden de cientos de nanómetros o incluso micrómetrosSin embargo, las capas intermedias de transición en la interfaz diamante/cobre, como los carburos (por ejemplo, TiC, ZrC, Cr3C2), presentan conductividades térmicas intrínsecas más bajas (< 25 W/mK),de varios órdenes de magnitud inferiores a los del diamante o del cobreDesde el punto de vista de la mejora de la eficiencia de transferencia de calor de la interfaz, es esencial minimizar el grosor de la capa intermedia de transición porque, de acuerdo con el modelo de resistencia térmicala conductividad térmica de la interfaz (G_cu-diamante) es inversamente proporcional al grosor de la capa intermedia (d).

Mientras que una capa de transición relativamente más gruesa ayuda a mejorar la resistencia de unión de la interfaz en la interfaz diamante / diamante,la resistencia térmica excesiva de la capa intermedia dificulta la transferencia de calor a través de la interfazPor lo tanto, 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.

El estado químico de la interfaz determina la fuerza de unión entre materiales heterogéneos.Los enlaces químicos son significativamente más fuertes que las fuerzas de van der Waals o los enlaces de hidrógenoPor otro lado,el desajuste de expansión térmica en ambos lados de la interfaz (donde T representa CTE y temperatura) es otro factor crítico que afecta la resistencia de unión de los compuestos de diamante/cobreComo se muestra en la figura a), existe una diferencia significativa en el orden de magnitud de los coeficientes de expansión térmica entre el diamante y el cobre.

En general,El desajuste de expansión térmica siempre ha sido un factor clave que influye en el rendimiento de muchos compuestos porque la densidad de dislocación alrededor del relleno aumenta significativamente durante el enfriamiento, especialmente en los compuestos de matriz metálica reforzados con rellenos no metálicos, como los compuestos AlN/Al, TiB2/Mg, SiC/Al y los compuestos diamante/cobre estudiados en este trabajo..Además, la temperatura de preparación de los compuestos diamante/cobre es relativamente alta, normalmente superior a 900 °C en los procesos convencionales.El desajuste significativo de la expansión térmica puede generar fácilmente tensión térmica en un estado de tracción en la interfaz diamante / cobre, lo que conduce a una fuerte disminución de la adhesión de la interfaz e incluso al fallo de la interfaz.

En otras palabras, el estado químico de la interfaz determina el potencial teórico para la resistencia de unión de la interfaz,mientras que la desajustación térmica dicta el grado de reducción de la resistencia de unión de la interfaz después de la fabricación de compuestos a alta temperaturaPor lo tanto, la resistencia de unión interfacial final es el resultado de la interacción entre estos dos factores.La mayoría de los estudios actuales se centran en mejorar la resistencia de unión de la interfaz ajustando el estado químico de la interfaz, por ejemplo, a través del tipo, el grosor y la morfología de la capa intermedia de transición.La reducción de la resistencia de unión de la interfaz debido a la grave incompatibilidad térmica en la interfaz aún no ha recibido suficiente atención.

El proceso de preparación, como se muestra en la figura (a), incluye tres etapas principales.se deposita en la superficie de las partículas de diamante un revestimiento delgado de titanio (Ti) de un grosor nominal de 70 nm (modelo: HHD90, tamaño de malla: 60/70, Huanghe Whirlwind Co., Ltd., Henan, China) mediante pulverización por magnetrón de radiofrecuencia a 500 °C. Objetivos de titanio de alta pureza (pureza: 99.99%) se utilizan como materia primaEn el caso de los materiales de construcción, el agua se utiliza para la fabricación de las piezas de acero.se emplea una técnica de rotación del sustrato, permitiendo que todas las superficies de las partículas de diamante estén expuestas a la atmósfera de pulverización,asegurando que el elemento Ti se deposite uniformemente en todos los planos superficiales de las partículas de diamante (incluyendo principalmente dos tipos de facetas: (001) y (111)).

En segundo lugar, durante el proceso de mezcla húmeda, se añade un 10% de alcohol en peso para asegurar una distribución uniforme de las partículas de diamante dentro de la matriz de cobre.tamaño de las partículas: 5 ‰ 20 μm, Zhongnuo Advanced Materials Technology Co., Ltd., China) y partículas de diamante de cristal único de alta calidad se utilizan como matriz (55 vol%) y fase de refuerzo (45 vol%),respectivamente.

Finalmente, el alcohol se elimina del material compuesto prensado en un vacío elevado de 10^-4 Pa,y el material compuesto de cobre-diamante se densifica utilizando métodos de metalurgia en polvo (sinterizado con plasma de chispa), SPS).

En el proceso de preparación de SPS, propusimos innovadoramente una técnica de sinterización a baja temperatura y alta presión (LTHP), combinándola con una modificación de la interfaz fina (70 nm).Para reducir la resistencia térmica introducida por el propio recubrimientoPara la comparación, también preparamos los materiales compuestos utilizando el proceso tradicional de sinterización a baja presión a alta temperatura (HTLP).La técnica de sinterización HTLP es un método convencional ampliamente utilizado en trabajos anteriores para integrar el diamante y el cobre en compuestos densosEste proceso HTLP utiliza típicamente una alta temperatura de sinterización de más de 900°C (cerca del punto de fusión del cobre) y una baja presión de sinterización de aproximadamente 50 MPa.la temperatura de sinterización se fija en 600°CAl mismo tiempo, al sustituir los moldes tradicionales de grafito por moldes de aleación dura, se ha conseguido una reducción de los costes de fabricación.la presión de sinterización puede aumentarse sustancialmente a 300 MPaEl tiempo de sinterización para ambos procesos es de 10 minutos.Los parámetros experimentales para los diferentes procesos (LTHP y HTLP) se muestran en la figura b)..

Las conclusiones de la investigación anterior tienen por objeto superar estos desafíos y aclarar los mecanismos para mejorar las propiedades de transporte térmico de los compuestos de diamante/cobre:

1. Se desarrolló una nueva estrategia de integración que combina la modificación de la interfaz ultrafina con el proceso de sinterización LTHP.El compuesto diamante/cobre resultante alcanzó un alto valor de conductividad térmica (k) de 763 W/mK, con un coeficiente de expansión térmica (CTE) inferior a 10 ppm/K. Además,se obtuvo un alto valor k incluso a una fracción de volumen de diamante más baja (45% en comparación con el 50%-70% típico en los procesos convencionales de metalurgia en polvo), lo que indica que los costes pueden reducirse significativamente mediante la disminución de la cantidad de relleno de diamante.

2. A través de la estrategia propuesta, la estructura de interfaz refinada se caracterizó como una estructura en capas de diamante/TiC/CuTi2/Cu,que redujo en gran medida el grosor de la capa de transición a aproximadamente 100 nmSin embargo, debido a la reducción de los daños por esfuerzo térmico durante el proceso de preparación, el tamaño de las piezas de acero es mucho menor que los varios cientos de nanómetros o incluso micrómetros utilizados anteriormente.la fuerza de unión de la interfaz todavía fue mejorada a niveles de enlace covalente, con una energía de unión de interfaz de 3.661 J/m2.

3. Debido a su naturaleza ultra delgada, la capa de transición de la interfaz diamante / cobre cuidadosamente diseñada exhibe baja resistencia térmica. 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)Por lo tanto, los dos posibles cuellos de botella de transferencia térmica ya no son factores limitantes para la interfaz diamante/cobre.

Sin embargo, la capacidad de transferencia térmica de la interfaz (G = 93,5 MW/m2K) no se vio afectada,logrando un excelente equilibrio entre estos dos factores críticosLos análisis sugieren que la mejora simultánea de estos dos factores clave es la razón de la conductividad térmica superior de los compuestos diamante/cobre.

 

Solución de la ZMSH

Substrato de cobre de cristal único Cu 5x5x0.5/lmm 10x10x0.5/1mm 20x20x0.5/1mm a=3.607A

Al sustrato monocristalino Substrato de aluminio pureza 99/99% 5×5×1/0,5 mm 10×10×1/0,5 20x20x0,5/1 mm