المواد المركبة الماسية والنحاسية، تخترق القيود!

مع التصغير المستمر، والتكامل، والأداء العالي للأجهزة الإلكترونية الحديثة بما في ذلك الحوسبة، 5G/6G، البطاريات،و إلكترونيات الطاقة، أدى ارتفاع كثافة الطاقة إلى تسخين جول شديد ودرجات حرارة عالية داخل الأجهزة. وهذا يؤدي إلى تدهور الأداء وفشل الجهاز. أصبحت الإدارة الحرارية الفعالة قضية مهمة في المنتجات الإلكترونية. لتخفيف هذه المشكلة،يمكن دمج المواد المتقدمة لإدارة الحرارة على المكونات الإلكترونية تحسين قدرة استبعاد الحرارة بشكل كبير.

الماس يمتلك خصائص حرارية ممتازة، مع إظهار أعلى موصلة حرارية نظرية (k = 2300 W/mK) من بين جميع المواد السائبة،ولها معامل توسع حراري منخفض للغاية (CTE = 1 ppm / K) في درجة حرارة الغرفة. 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.

ومع ذلك، هناك اختلافات ملحوظة بين الماس والنحاس في العديد من جوانب الأداء، بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر CTE (مع اختلاف كبير في ترتيب الحجم،كما هو مبين في الشكل (أ)) والعلاقة الكيميائية (هي غير قابلة للخلط ولا تخضع لردود فعل كيميائية)كما هو موضح في الشكل (ب).

هذه الاختلافات تؤدي حتماً إلى قوة الالتصاق المنخفضة المتأصلة للألماس / النحاس المركب أثناء عمليات التصنيع عالية درجة الحرارة أو التكامل ،وكذلك الإجهاد الحراري العالي في واجهة الماس / النحاسونتيجة لذلك فإن الماس / النحاس المركبات عرضة للكسر في الواجهة، مما يقلل بشكل كبير من التوصيل الحراري (عندما يتم ربط الماس والنحاس مباشرة،يمكن أن تكون قيمة k أقل بكثير من قيمة النحاس النقيحتى تحت 200 واط/ميكروكيل).

في الوقت الحالي ، تتضمن طريقة التحسين الرئيسية تعديل كيميائي لدائرة الماس / الماس من خلال سبيكة المعادن أو تحديد السطح.يمكن أن تعزز الطبقة الانتقالية التي تتشكل في الواجهة قوة ربط الواجهة، وطبقة متوسطة سميكة نسبيًا أكثر فائدة في مقاومة تشقق الواجهة. كما هو مذكور في الأدب ، لتحقيق تأثير ربط ،يجب أن يكون سمك الطبقة الوسطى على حدود مئات النانومترات أو حتى الميكرومتراتومع ذلك ، فإن الطبقات الانتقالية على الواجهة بين الماس والنحاس ، مثل الكربيدات (مثل TiC و ZrC و Cr3C2) ، تظهر موصلات حرارية جوهرية أقل (< 25 W / mK) ،عدة أوامر من الحجم أقل من الماس أو النحاسمن منظور تحسين كفاءة نقل الحرارة بين الوجهات ، من الضروري تقليل سمك الطبقة الوسطى الانتقالية إلى الحد الأدنى لأنه ، وفقا لنموذج المقاومة الحرارية ،التوصيل الحراري للشاشة (G_cu-diamond) متناسب بالعكس مع سمك الطبقة الوسطى (d).

في حين أن طبقة انتقالية سميكة نسبيا تساعد على تحسين قوة ربط الواجهة في الواجهة الماس / الماس ،المقاومة الحرارية المفرطة للطبقة الوسيطة تعيق نقل الحرارة عبر الواجهةلذلك، 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.

تحدد الحالة الكيميائية للواجهة قوة ربط الواجهة بين المواد غير المتجانسة.الروابط الكيميائية أقوى بكثير من قوى فان دير فال أو روابط الهيدروجينمن ناحية أخرىعدم تطابق التوسع الحراري على جانبي الواجهة (حيث تمثل T CTE ودرجة الحرارة) هو عامل حاسم آخر يؤثر على قوة الارتباط من الماس / النحاس المركباتكما هو مبين في الشكل (أ) ، هناك فرق كبير في ترتيب حجم معامل التوسع الحراري بين الماس والنحاس.

بشكل عام،كان عدم التطابق في التوسع الحراري دائماً عاملاً رئيسياً يؤثر على أداء العديد من المواد المركبة لأن كثافة الانحراف حول الحشو تزداد بشكل كبير أثناء التبريد، وخاصة في المواد المركبة المصفوفة بالمعادن المعززة بالملءات غير المعدنية ، مثل المواد المركبة AlN / Al ، TiB2 / Mg ، SiC / Al ، ومكونات الماس / النحاس التي تم دراستها في هذه الورقة.بالإضافة إلى ذلك، فإن درجة حرارة تحضير الماس / النحاس المركبات مرتفعة نسبيا، عادة ما تتجاوز 900 درجة مئوية في العمليات التقليدية.عدم التطابق الحراري الكبير يمكن أن يولد بسهولة الإجهاد الحراري في حالة الشد في واجهة الماس / النحاس، مما يؤدي إلى انخفاض حاد في صلابة الواجهة وحتى فشل الواجهة.

بعبارة أخرى، الحالة الكيميائية للواجهة تحدد الإمكانات النظرية لقوة الربط بين الواجهات،في حين أن عدم التطابق الحراري يحدد مدى انخفاض قوة ربط الواجهة بعد تصنيع المركب عالي درجة الحرارةوبالتالي، فإن قوة الربط النهائية هي نتيجة للتفاعل بين هذين العاملين.تركز معظم الدراسات الحالية على تحسين قوة ربط الواجهة عن طريق ضبط الحالة الكيميائية للواجهة، مثل من خلال نوع، سمك، ومورفولوجيا الطبقة الوسطى الانتقالية.انخفاض قوة ربط الواجهة بسبب عدم التطابق الحراري الشديد في الواجهة لم يحصل بعد على اهتمام كاف.

تتضمن عملية التحضير، كما هو موضح في الشكل (أ) ، ثلاث مراحل رئيسية.يتم إيداع سمك اسمي يبلغ 70 نانومتر من طبقة رقيقة من التيتانيوم (Ti) على سطح جزيئات الماس (نموذج: HHD90 ، حجم الشبكة: 60/70 ، Huanghe Whirlwind Co. ، Ltd. ، Henan ، الصين) باستخدام رذاذ المغناطيس المغناطيسي الترددي عند 500 درجة مئوية. أهداف التيتانيوم عالية النقاء (النقاء: 99.99٪) تستخدم كمادة أساسية، و غاز الأرجون (النقاء: 99.995%) بمثابة غاز التنقيط. يتم التحكم في سمك طلاء Ti عن طريق ضبط وقت الترسب. خلال عملية الترسب ، يتم تحديد حجم الغاز.يتم استخدام تقنية تدوير الركيزة، مما يسمح لجميع أسطح جزيئات الماس أن تتعرض للغلاف الجوي للبرز ،التأكد من أن عنصر Ti يتم إيداعه بشكل موحد على جميع مستويات سطح جزيئات الماس (بما في ذلك بشكل رئيسي نوعين من الجوانب): (001) و (111)).

ثانياً، خلال عملية الخلط الرطب، يتم إضافة 10٪ من الكحول لضمان توزيع متساو للجزيئات الماسية داخل مصفوفة النحاس.حجم الجسيمات: 5 ‰ 20 μm ، Zhongnuo Advanced Materials Technology Co. ، Ltd. ، الصين) والجسيمات الماسية البلورية الواحدة عالية الجودة تستخدم كمصفوفة (55 vol%) ومرحلة تعزيز (45 vol%) ،على التوالي.

وأخيراً، يتم إزالة الكحول من المادة المركبة المضغوطة مسبقاً في فراغ كبير من 10^-4 Pa،ويتم تكثيف المواد المركبة النحاسية الماسية باستخدام طرق المعادن المسحوقة (تخمير البلازما الشرارة)، SPS).

في عملية تحضير SPS ، اقترحنا ابتكارا تقنية تجميد منخفضة درجة الحرارة عالية الضغط (LTHP) ، والجمع بينها مع تعديل الواجهة الرقيقة (70 نانومتر).لتقليل المقاومة الحرارية التي أدخلتها الطلاء نفسه، تم استخدام طبقة تعديل واجهة رقيقة (70 نانومتر). للمقارنة، قمنا أيضا بإعداد المواد المركبة باستخدام عملية التخمير التقليدية عالية درجة الحرارة منخفضة الضغط (HTLP).تقنية حفر HTLP هي طريقة تقليدية تستخدم على نطاق واسع في الأعمال السابقة لدمج الماس والنحاس في مواد مركبة كثيفةهذه العملية HTLP عادة ما تستخدم درجة حرارة التكثيف العالية من أكثر من 900 درجة مئوية (قريبة من نقطة انصهار النحاس) وضغط التكثيف المنخفض من حوالي 50 MPa. ومع ذلك في عملية LTHP المقترحة لدينا،يتم تعيين درجة حرارة التجفيف عند 600 درجة مئويةفي الوقت نفسه، من خلال استبدال القوالب الجرافيت التقليدية مع القوالب سبائك صلبة،يمكن زيادة ضغط التخمير إلى 300 MPaوقت التجفيف لكلتا العمليتين هو 10 دقائق. توفر تفاصيل إضافية حول تحسين معايير عملية LTHP في المواد التكميلية.تظهر المعلمات التجريبية للعمليات المختلفة (LTHP و HTLP) في الشكل (ب).

تهدف استنتاجات الأبحاث المذكورة أعلاه إلى التغلب على هذه التحديات وتوضيح آليات تحسين خصائص نقل الحرارة للألماس / النحاس المركب:

1. تم تطوير استراتيجية تكامل جديدة تجمع بين تعديل واجهة رقيقة للغاية مع عملية تجميد LTHP.وقد حقق المركب الماس / النحاس الناتج قيمة عالية للقيادة الحرارية (ك) 763 واط / م.ك.مع معامل التوسع الحراري (CTE) أقل من 10 ppm/K.تم الحصول على قيمة k عالية حتى عند نسبة حجم الماس المنخفضة (45٪ مقارنة بـ 50٪ -70٪ نموذجية في عمليات المعادن الغبارية التقليدية)، مما يشير إلى أنه يمكن خفض التكاليف بشكل كبير عن طريق تقليل كمية حشو الماس.

2. من خلال الاستراتيجية المقترحة، تميزت بنية الواجهة المكررة على أنها بنية طبقات من الماس/TiC/CuTi2/Cu،والتي خفضت كثيرا سمك الطبقة الانتقالية إلى حوالي 100 نانومتر، أقل بكثير من عدة مئات من نانومترات أو حتى الميكرومترات المستخدمة سابقا. ومع ذلك، وبسبب انخفاض تلف الإجهاد الحراري خلال عملية التحضير،كانت قوة ربط الواجهة لا تزال متزايدة إلى مستويات الروابط المشتركة، مع طاقة ربط واجهة 3.661 J / m2.

3. نظرا لطبيعته الرقيقة للغاية، الطبقة الانتقالية الماسية / النحاس صناعة بعناية واجهة تعرض مقاومة حرارية منخفضة. 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)وبالتالي، فإن الحاجزين المحتملين لنقل الحرارة لم تعد عوامل تقييد لواجهة الماس / النحاس.

ارتفعت قوة الربط بين الواجهات بشكل فعال إلى مستويات الروابط المشتركة. ومع ذلك ، لم تتأثر قدرة نقل الحرارة بين الواجهات (G = 93.5 MW / m2K) ،تحقيق توازن ممتاز بين هذين العاملين الحاسمينتشير التحليلات إلى أن التحسن المتزامن لهذين العاملين الرئيسيين هو السبب في التوصيل الحراري المتفوق لمكونات الماس / النحاس.

 

حل ZMSH

رزمة Cu البلورية الوحيدة النحاسية 5x5x0.5/lmm 10x10x0.5/1mm 20x20x0.5/1mm a=3.607A

الركيزة الألومنيوم الركيزة البريستالية الواحدة نقاء 99/99% 5×5×1/0.5 ملم 10×10×1/0.5 20x20x0.5/1 ملم