Materiales compuestos de diamante/cobre (Cu) para aplicaciones de alta conductividad térmica y mejoras de rendimiento mecánico

Materiales compuestos de diamante/cobre (Cu) para aplicaciones de alta conductividad térmica y mejoras de rendimiento mecánico

Desde la década de 1980, el nivel de integración de los circuitos dentro de los componentes electrónicos ha aumentado a un ritmo de 1,5 veces o incluso más rápido cada año.A medida que aumenta el nivel de integración de los circuitos integrados, la corriente aumenta en consecuencia, generando más calor durante el funcionamiento.puede causar daños térmicos a los componentes electrónicos y reducir su vida útilPor lo tanto, para satisfacer las crecientes demandas de disipación de calor de los componentes electrónicos, se han investigado y optimizado continuamente materiales de embalaje electrónicos con alta conductividad térmica.

Los metales puros como Cu, Ag y Al tienen una alta conductividad térmica pero tasas de expansión térmica excesivamente altas.para garantizar el funcionamiento normal de los componentes electrónicos y prolongar su vida útil, existe una necesidad urgente de desarrollar nuevos materiales de embalaje con alta conductividad térmica y coeficientes de expansión térmica adecuados.con una dureza de Mohs de 10, y es también uno de los materiales naturales con la conductividad térmica más alta, alcanzando 200 a 2200 W/(m·K. Combinando las propiedades térmicas del diamante y el cobre,Los materiales compuestos de diamante/cobre con cobre como matriz y diamante como refuerzo son ampliamente considerados como los futuros materiales de embalaje electrónico de alta conductividad térmica..

El diamante/cobre compuesto es un material compuesto de alto rendimiento compuesto de diamante

Los métodos de preparación comunes para los compuestos de diamante / cobre incluyen: metalurgia en polvo, alta temperatura y alta presión, infiltración de fusión, sinterización de plasma de chispa, fumigación en frío y otros.

(1) Metalurgia de polvo

mezclar las partículas de diamante conDurante el proceso de mezcla, se puede añadir una cierta cantidad de aglutinante y agentes formadores.Sinterizado para obtener compuestos de diamante/Cu de alta conductividad térmicaLa metalurgia en polvo es un proceso simple con un costo relativamente bajo y es una técnica de sinterización relativamente madura.Además, las muestras preparadas tienden a ser de tamaño limitado y de forma simple, lo que dificulta la obtención directa de materiales de conducción térmica superior.

(2) Temperatura y presión altas

(3) Infiltración del fundido

(4) Sinterización de plasma por chispa (SPS)

(5) Fumigación en frío

La deposición por rociado en frío consiste en colocar dos polvos mezclados en una cámara de horno, donde después de la fusión del metal y la atomización del metal líquido,las partículas se pulverizan y se depositan en una placa de sustrato para obtener el material compuesto.

Se emplean estrategias para abordar los problemas de interfaz entre el diamante y la matriz de Cu

Para la fabricación de materiales compuestos, la humedecibilidad mutua entre los componentes es un requisito previo necesario para el éxito del compuesto.y juega un papel crucial en la determinación de la estructura de la interfaz y el estado de uniónLa mala humedecibilidad entre el diamante y el cobre conduce a una alta resistencia térmica de la interfaz.que es fundamental para mejorar el rendimiento de los compuestos.

Actualmente se emplean dos estrategias principales para abordar los problemas de interfaz entre el diamante y la matriz de Cu:

Modificación de la superficie del diamante
El recubrimiento de la superficie de las partículas de diamante con elementos activos como Mo, Ti, W o Cr puede mejorar significativamente las características interfaciales.estos elementos reaccionan con el carbono en la superficie del diamante para formar una capa de transición de carburoAdemás, tales recubrimientos pueden proteger la estructura del diamante de la degradación a temperaturas elevadas.

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Antes del procesamiento del compuesto, la matriz de cobre puede ser prealigada con elementos activos.La introducción de elementos activos en la matriz de cobre reduce efectivamente el ángulo de contacto entre el diamante y el cobre y promueve la formación de una capa de carburo en la interfaz diamante/CuEstos carburos, que pueden ser parcialmente solubles en la matriz de cobre, ayudan a llenar los vacíos interfaciales y mejoran significativamente el rendimiento térmico.

Paisaje del mercado y tendencias de desarrollo

Estructura del mercado

Liderazgo internacional:
Los mercados de gama alta están dominados por actores internacionales como AMETEK (EE.UU.) y Sumitomo Electric (Japón), que atienden principalmente a los sectores militar y aeroespacial.Heraeus (Alemania) y Toho Titanium (Japón) se centran en los sustratos de gestión térmica para electrónica de consumo.

Progreso de la producción nacional:
Los productores chinos (por ejemplo, el Instituto de Investigación de Metales, la Academia de Ciencias de China;Hunan Dingli Technology) han logrado la producción en masa de sustratos compuestos de diamantes/Cu de 6 pulgadas mediante métodos de metalurgia en polvoPara 2023, las empresas chinas capturaron el 25% de la cuota de mercado nacional.

Tamaño del mercado

Según un pronóstico de QY Research, se prevé que el mercado mundial de diamantes/Cu compuestos alcance los 1.200 millones de USD para 2025, con una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 18%.Se espera que la región de Asia-Pacífico represente más del 50% de la demanda mundial.

En el sector de las comunicaciones 5G, se espera que la demanda de módulos de gestión térmica de estaciones base genere un aumento del 300% en el consumo de materiales compuestos para 2024.

Tendencias futuras

Avances en las tecnologías de diamantes sintéticos:
Se prevé que el costo de los diamantes de deposición química de vapor (CVD) disminuya a una décima parte de los niveles actuales en la próxima década.

Aplicaciones de integración heterogénea:
Desarrollo de películas térmicas ultrafinas y flexibles mediante el compuesto del diamante con materiales bidimensionales como el grafeno y el nitruro de boro.

Gestión térmica inteligente:
Integración de sensores de temperatura en sustratos de diamante/Cu para permitir el seguimiento en tiempo real de la distribución térmica y la regulación térmica dinámica.

Desafíos y direcciones futuras de la investigación

Cuellos de botella técnicos

Dificultad para lograr simultáneamente una baja resistencia térmica de la interfaz y un alto rendimiento de producción en masa, lo que limita la penetración de los compuestos de diamante/Cu en los mercados de electrónica de consumo.

Problemas persistentes con la oxidación de la interfaz y la difusión elemental durante el servicio de alta temperatura a largo plazo.

Direcciones de investigación

Diseño de la interfaz biomimética:
Inspirándose en estructuras en capas en la naturaleza (por ejemplo, nacre), se están explorando estrategias de distribución de refuerzo a múltiples escalas para optimizar el rendimiento del acoplamiento termomecánico.

Procesos de fabricación ecológicos:
Desarrollo de procesos respetuosos con el medio ambiente, como el galvanizado sin cianuro y la sinterización a baja temperatura para reducir las emisiones de carbono.

Los compuestos de altas temperaturas:
Investigación del potencial de aplicación de los compuestos de diamante/Cu en ambientes superiores a 1000 °C.

Conclusión

Gracias a su incomparable conductividad térmica y ventajas mecánicas integrales,Los compuestos de diamante/Cu están emergiendo como materiales clave para dispositivos y aplicaciones electrónicas de alta densidad de potencia en condiciones extremasA pesar de los desafíos en la optimización de la interfaz y la reducción de costos,Los progresos en curso en las técnicas sintéticas y la maduración gradual de la cadena industrial están allanando el camino para una adopción más amplia.

En el futuro, a través de innovaciones interdisciplinarias que combinen la ciencia de los materiales, la nanotecnología, la tecnología de la información y la tecnología de la información, la tecnología de la información y la tecnología de la información, la tecnología de la información y la tecnología de la información, la tecnología de la información y la tecnología de la información, la tecnología de la información y la tecnología de la información, la tecnología de la información y la tecnología de la información, la tecnología de la información y la tecnología de la información.Se espera que los materiales compuestos de diamante/Cu conduzcan a los dispositivos electrónicos hacia un mayor rendimientoAdemás, estos materiales desempeñarán un papel fundamental en la mejora de la eficiencia energética mundial y en el apoyo a las iniciativas de neutralidad de carbono.

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