Matériau composite diamant/cuivre, dépassez la limite!
Avec la miniaturisation continue, l'intégration et les performances élevées des appareils électroniques modernes, y compris l'informatique, la 5G/6G, les batteries et l'électronique de puissance,la densité de puissance croissante conduit à une chaleur intense en joules et à des températures élevées dans les canaux de l'appareilLa détérioration des performances et la défaillance des appareils sont les conséquences. La dissipation de chaleur efficace devient un problème important dans les produits électroniques.l'intégration de matériaux de gestion thermique avancés sur les appareils électroniques peut améliorer considérablement leurs capacités de dissipation de chaleur.
Le diamant possède d'excellentes propriétés thermiques, la plus haute conductivité thermique isotrope de tous les matériaux en vrac (k= 2300 W/mK),et a un coefficient de dilatation thermique ultra-faible à température ambiante (CTE=1 ppm/K). les composites de matrice de cuivre renforcés par des particules de diamant (diamant/ cuivre), en tant que matériaux de gestion thermique de nouvelle génération,ont reçu une grande attention en raison de leur valeur potentiellement élevée de k et de leur CTE réglable..
Cependant, il existe des disparités significatives entre le diamant et le cuivre dans de nombreuses propriétés, y compris, mais sans s'y limiter, le CTE (une nette différence d'ordre de grandeur,comme indiqué à la figure a) et affinité chimique (pas de solution solide), aucune réaction chimique, comme indiqué à la figure b).
Différences significatives de performances entre le cuivre et le diamant (a) coefficient de dilatation thermique (CTE) et (b) schéma de phase
These mismatches inevitably result in low bond strength and high thermal stress at the diamond/copper interface inherent in the high temperature manufacturing or integration process of diamond/copper compositesEn conséquence, les composites diamant/cuivre rencontreront inévitablement des problèmes de fissuration des interfaces et la conductivité thermique sera considérablement réduite (lorsque le diamant et le cuivre sont directement combinés, la conductivité thermique sera considérablement réduite).sa valeur k est encore beaucoup plus basse que celle du cuivre pur (< 200 W/mK).
À l'heure actuelle, la principale méthode d'amélioration consiste à modifier chimiquement l'interface diamant/diamant par l'alliage de métaux ou la métallisation de surface.La couche transitoire formée sur l'interface améliorera la force de liaison de l'interface, et la couche intermédiaire relativement épaisse est plus propice à résister à la fissuration de l'interface.l'épaisseur de la couche intermédiaire doit être de centaines de nanomètres ou même de micromètresCependant, les intercalaires transitoires à l'interface diamant/cuivre, tels que les carbures (TiC, ZrC, Cr3C2, etc.), ont une conductivité thermique intrinsèque inférieure (< 25 W/mK,plusieurs ordres de grandeur inférieurs au diamant ou au cuivre)Pour améliorer l'efficacité de la dissipation thermique de l'interface, il est nécessaire de minimiser l'épaisseur du sandwich de transition.parce que selon le modèle de la série de résistance thermique, la conductivité thermique de l'interface (G cuivre-diamant) est inversement proportionnelle à l'épaisseur du sandwich (d):
La couche intermédiaire de transition relativement épaisse est propice à l'amélioration de la force de liaison de l'interface diamant/interface diamant,mais la résistance thermique excessive de la couche intermédiaire n'est pas propice au transfert de chaleur à l'interfacePar conséquent, a major challenge in integrating diamond and copper is to maintain a high interfacial bonding strength while not introducing excessive interfacial thermal resistance when adopting interfacial modification methods.
L'état chimique de l'interface détermine la résistance de liaison entre matériaux hétérogènes.Les liaisons chimiques sont beaucoup plus élevées que les forces de van der Waals ou les liaisons hydrogèneD'autre part, le décalage de dilatation thermique entre les deux côtés de l'interface (où T se réfère à CTE et température,La résistance à l'attachement des composites diamant/cuivre est un autre facteur clé pour déterminer la résistance à l'attachement des composites diamant/cuivre.Comme le montre la figure (a) ci-dessus, le coefficient de dilatation thermique du diamant et du cuivre est nettement différent par ordre de grandeur.
En général, les déséquilibres de dilatation thermique ont été un facteur clé affectant les performances de nombreux composites, car la densité des dislocations autour des charges augmente considérablement pendant le refroidissement,spécialement dans les composites métalliques renforcés de charges non métalliques. tels que les composites AlN/Al, les composites TiB2/Mg, les composites SiC/Al et les composites diamant/ cuivre étudiés dans ce document.le composite diamant/cuivre est préparé à une température plus élevée, généralement supérieure à 900 °C dans les procédés traditionnels. Le déséquilibre de dilatation thermique évident est facile à générer des contraintes thermiques dans l'état de traction de l'interface diamant/cuivre,ce qui entraîne une forte diminution de l'adhérence de l'interface et même une défaillance de l'interface.
En d'autres termes, l'état chimique de l'interface détermine le potentiel théorique de la force de liaison de l'interface,et le décalage thermique détermine le degré de diminution de la résistance de la liaison interfaciale après la préparation à haute température du matériau compositePar conséquent, la force de liaison finale de l'interface est le résultat du jeu entre les deux facteurs ci-dessus.la plupart des études actuelles se concentrent sur l'amélioration de la résistance de liaison de l'interface en ajustant l'état chimique de l'interfaceCependant, la diminution de la résistance des liaisons d'interface causée par un grave déséquilibre thermique n'a pas été suffisamment prise en compte.
Expérience concrète
Comme le montre la figure (a) ci-dessous, le processus de préparation se compose de trois étapes principales.un revêtement en Ti ultra-mince d'une épaisseur nominale de 70 nm a été déposé sur la surface des particules de diamant (modèleLa plaque de titane de haute pureté (pureté: 99.99%) est utilisé comme cible pour le titane (matériau source)L'épaisseur du revêtement en titane est contrôlée par contrôle du temps de dépôt.la technologie de rotation du substrat est utilisée pour exposer toutes les faces des particules de diamant à l'atmosphère de pulvérisation, et l'élément Ti est déposé uniformément sur tous les plans de surface des particules de diamant (y compris principalement deux facettes: (001) et (111)).10 wt% d'alcool est ajouté dans le processus de mélange humide pour que les particules de diamant soient uniformément réparties dans la matrice de cuivre. Poudre de cuivre pur (pureté: 99,85 wt%, taille des particules: 5 ~ 20 μm, China Zhongnuo Advanced Material Technology Co., LTD.Les particules de diamants monocristallins de haute qualité sont utilisées comme matrice (55 vol) et comme renforcement (45 vol).Enfin, l'alcool dans le composite prépressé est éliminé à un vide élevé de 10-4 Pa,puis le composite cuivre-diamant est densifié par métallurgie des poudres (sintration par plasma d'étincelle), SPS).
a) Schéma schématique du procédé de préparation des composites diamant/cuivre; b) Différents procédés de frittage dans la préparation de la métallurgie en poudre SPS
Dans le processus de préparation du SPS, nous avons proposé de manière innovante un procédé de frittage à basse température à haute pression (LTHP) et l'avons combiné avec la modification de l'interface d'un revêtement ultra-mince (70 nm).Pour réduire l'introduction de résistance thermique du revêtement lui-mêmePour la comparaison, nous avons également préparé les composites en utilisant le procédé traditionnel de frittage à basse pression (HTLP).Le procédé de frittage HTLP est une formule traditionnelle qui a été largement utilisée dans des travaux précédemment rapportés pour intégrer le diamant et le cuivre dans des composites densesCe procédé HTLP utilise généralement une température de frittage élevée de > 900°C (près du point de fusion du cuivre) et une basse pression de frittage de ~ 50MPa.la température de frittage est conçue pour être de 600°CEn même temps, en remplaçant le moule de graphite traditionnel par un moule de carbure cimenté, la pression de frittage peut être considérablement augmentée jusqu'à 300 MPa.Le temps de frittage des deux procédés ci-dessus est de 10 minutesDans les documents complémentaires, nous avons fait une explication complémentaire sur l'optimisation des paramètres de processus LTHP.Les paramètres expérimentaux détaillés pour différents procédés (LTHP et HTLP) sont indiqués sur la figure b) ci-dessus..
Conclusion
La recherche ci-dessus vise à surmonter ces défis et à élucider les mécanismes d'amélioration des performances de transfert thermique des composites diamant/cuivre.
1Une nouvelle stratégie intégrée a été développée pour combiner la modification d'interfaces ultra-minces avec le procédé de frittage LTHP.Le composite diamant/cuivre obtenu atteint une valeur k élevée de 763 W/mK et une valeur CTE inférieure à 10 ppm/KDans le même temps, une valeur k plus élevée peut être obtenue à une fraction volumique de diamant inférieure (45%, comparativement à 50% à 70% dans les procédés traditionnels de métallurgie des poudres),ce qui signifie que les coûts peuvent être considérablement réduits en réduisant la teneur en charges de diamants.
2La structure fine de l'interface est caractérisée par une structure en couches diamant /TiC/CuTi2/Cu, ce qui réduit considérablement l'épaisseur des couches intermédiaires de transition à ~ 100 nm.beaucoup moins que les centaines de nanomètres ou même quelques microns utilisés précédemmentCependant, en raison de la réduction des dommages par contrainte thermique pendant le processus de préparation, la résistance de la liaison interfaciale est encore améliorée au niveau de la liaison covalente,et l'énergie de liaison entre les surfaces est de 3.661J/m2.
3En raison de l'épaisseur ultra-mince, le sandwich de transition de l'interface diamant/ cuivre soigneusement conçu a une faible résistance thermique.Les résultats des simulations MD et Ab-initio montrent que l'interface diamant/carbure de titane présente une bonne correspondance des propriétés phononiques et une excellente capacité de transfert de chaleur (G> 800 MW/m2K)Par conséquent, les deux éventuels goulots d'étranglement du transfert de chaleur ne sont plus les facteurs limitants à l'interface diamant/cuivre.
4La résistance de la liaison d'interface est effectivement améliorée au niveau de la liaison covalente.Il s'agit d'un excellent équilibre entre les deux facteurs clésL'analyse montre que l'amélioration simultanée de ces deux facteurs clés est la raison de l'excellente conductivité thermique des composites diamant/cuivre.
