مادة الماس / النحاس المركبة، كسر الحد!

مادة الماس / النحاس المركبة، كسر الحد!

مع التصغير المستمر، والتكامل، والأداء العالي للأجهزة الإلكترونية الحديثة، بما في ذلك الحوسبة، 5G/6G، البطاريات، والكهرباء القوية،زيادة كثافة الطاقة تؤدي إلى حرارة قوية في الجول ودرجات حرارة عالية في قنوات الجهازويتبع ذلك تدهور الأداء وفشل الجهاز. أصبح استبعاد الحرارة الفعال مشكلة مهمة في المنتجات الإلكترونية. للتخفيف من هذه المشكلة،يمكن لدمج مواد إدارة الحرارة المتقدمة على الأجهزة الإلكترونية تحسين قدراتها على إزالة الحرارة بشكل كبير.

الماس له خصائص حرارية ممتازة ، أعلى موصلة حرارية نظرية من جميع المواد السائبة (k = 2300W / mK) ،وله معامل انخفاض حرارية منخفض للغاية عند درجة حرارة الغرفة (CTE = 1ppm/K)- مواد مركبة من مصفوفة النحاس المعززة بالجزيئات الماسية (الماس / النحاس) ، كجيل جديد من مواد الإدارة الحرارية ،وقد حظيت باهتمام كبير بسبب قيمتها المحتملة عالية k و CTE قابلة للتعديل.

ومع ذلك، هناك اختلافات كبيرة بين الماس والنحاس في العديد من الخصائص، بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر CTE (اختلاف واضح في ترتيب الحجم،كما هو مبين في الشكل (أ)) والعلاقة الكيميائية (لا يوجد محلول صلب)، لا يوجد تفاعل كيميائي، كما هو مبين في الشكل (ب)).

اختلافات أداء كبيرة بين النحاس والماس (أ) معامل التوسع الحراري (CTE) و (ب) مخطط المراحل

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 compositesونتيجة لذلك، سوف تواجه الماس / النحاس المركبات حتمًا مشاكل تشقوق الواجهة، وسيتم تقليل الموصلات الحرارية بشكل كبير (عندما يتم الجمع بين الماس والنحاس مباشرة،قيمته k أقل بكثير من النحاس النقي (< 200W/mK)).

في الوقت الحاضر ، فإن الطريقة الرئيسية لتحسين هي تعديل واجهة الماس / الماس كيميائيًا من خلال سبيكة المعدن أو تحديد السطح.الطبقة الانتقالية التي تشكلت على الواجهة ستحسن قوة ربط الواجهةكما ذكر في المراجع ، لتحقيق الارتباط ،يجب أن يكون سمك الطبقة الوسطى مئات النانومترات أو حتى الميكرومتراتومع ذلك ، فإن الطبقات الانتقالية على الواجهة بين الماس والنحاس ، مثل الكربيدات (TiC ، ZrC ، Cr3C2 ، إلخ) ، لديها موصلات حرارية جوهرية أقل (< 25W / mK ،عدة أوامر من الحجم أصغر من الماس أو النحاس)من وجهة نظر تحسين كفاءة تبديد الحرارة في الواجهة ، من الضروري تقليل سمك شطيرة الانتقال ،لأنه وفقا لنموذج سلسلة المقاومة الحرارية، موصلة الحرارة في الواجهة (G النحاس-الماس) متناسبة عكسياً مع سمك الشطيرة (د):

الطبقة الانتقالية السميكة نسبياً تساعد على تحسين قوة ربط الواجهة بين الماس والواجهة الماسية.ولكن المقاومة الحرارية المفرطة للطبقة الوسطى لا تؤدي إلى نقل الحرارة إلى الواجهةلذلك، 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.

تحدد الحالة الكيميائية للواجهة قوة ربط الواجهة بين المواد غير المتجانسة.الروابط الكيميائية أعلى بكثير من قوى فان دير فال أو روابط الهيدروجينمن ناحية أخرى، عدم تطابق التوسع الحراري بين جانبي الواجهة (حيث يشير T إلى CTE ودرجة الحرارة،على التوالي) هو عامل رئيسي آخر في تحديد قوة ربط الواجهة من الماس / النحاس المركباتكما هو مبين في الشكل (أ) أعلاه، فإن معامل التوسع الحراري للماس والنحاس يختلف بوضوح حسب الترتيب الكبير.

بشكل عام ، كانت عدم التطابق في التوسع الحراري عاملًا رئيسيًا يؤثر على أداء العديد من المواد المركبة ، حيث أن كثافة الانحرافات حول مواد التعبئة تزداد بشكل كبير أثناء التبريد ،وخاصة في المواد المركبة المعدنية المترسخة بالملء غير المعدنيمثل مركبات AlN/Al، TiB2/Mg المركبات، SiC/Al المركبات والماس/النحاس المركبات دراسة في هذه الورقة.يتم تحضير مركب الماس / النحاس عند درجة حرارة أعلى، عادة ما تكون أعلى من 900 درجة مئوية في العمليات التقليدية. عدم التطابق الحراري الواضح من السهل أن يولد الإجهاد الحراري في حالة الشد من واجهة الماس / النحاس ،مما يؤدي إلى انخفاض حاد في صلابة الواجهة وحتى فشل الواجهة.

بمعنى آخر، الحالة الكيميائية للشفرة تحدد الإمكانات النظرية لقوة الربط بين الشفرات،والخلاف الحراري يحدد درجة انخفاض قوة الربط بين الوجهين بعد التحضير في درجة حرارة عالية للمادة المركبةوبالتالي، فإن قوة الارتباط النهائية هي نتيجة اللعبة بين العوامل المذكورة أعلاه. ومع ذلك،تركز معظم الدراسات الحالية على تحسين قوة ربط الواجهة عن طريق ضبط الحالة الكيميائية للواجهةومع ذلك ، لم يتم إيلاء الاهتمام الكافي للانخفاض في قوة رابطة الواجهة الناجمة عن عدم التطابق الحراري الخطير.

تجربة محددة

كما هو مبين في الشكل (أ) أدناه، تتكون عملية التحضير من ثلاث مراحل رئيسية.تم إيداع طبقة من الـ Ti رقيقة للغاية بسُمك اسمي 70nm على سطح جزيئات الماس (النموذج: HHD90 ، الشبكة: 60/70 ، Henan Huanghe Cyclone Co. ، LTD. ، الصين) عند 500 درجة مئوية عن طريق طريقة ترسب المغناطيسية RF. لوحة التيتانيوم عالية النقاء (النقاء: 99.99٪) يستخدم كهدف التيتانيوم (المادة المصدر)، و الأرجون (النقاء: 99.995%) يستخدم كغاز التنقيط. يتم التحكم في سمك طلاء التيتانيوم عن طريق التحكم في وقت الترسب.تستخدم تقنية دوران الروتين لتعريض جميع وجوه جزيئات الماس للغلاف الجوي، ويتم إيداع عنصر Ti بشكل موحد على جميع المستويات السطحية لجزيئات الماس (بما في ذلك بشكل رئيسي جانبين: (001) و (111)).يتم إضافة 10wt٪ الكحول في عملية الخلط الرطب لجعل جزيئات الماس موزعة بالتساوي في مصفوفة النحاسمسحوق النحاس النقي (النقاء: 99.85wt٪ ، حجم الجسيمات: 5 ~ 20μm ، شركة الصين Zhongnuo Advanced Material Technology Co. ، LTD.ويتم استخدام جزيئات الماس البلورية الفردية عالية الجودة كمصفوفة (55vol%) وتعزيز (45vol%)في النهاية، يتم إزالة الكحول في المركب المجهز مسبقاً مع فراغ كبير من 10-4Pa،ثم يتم تكثيف المركب النحاسي والماس عن طريق المعادن المسحوقة (تخمير البلازما، SPS).

(أ) مخطط مخطط لعملية تحضير الماس / النحاس المركبات

في عملية إعداد SPS ، اقترحنا بشكل مبتكر عملية تجميد منخفضة درجة الحرارة عالية الضغط (LTHP) وجمعناها مع تعديل الواجهة لطلاء رقيق للغاية (70nm).من أجل تقليل إدخال المقاومة الحرارية للطلاء نفسهتم استخدام طبقة معدلة للواجهة رقيقة للغاية (70 نانومتر) في هذا العمل. للمقارنة ، قمنا أيضًا بإعداد المواد المركبة باستخدام عملية تجميد عالية درجة حرارة منخفضة الضغط التقليدية (HTLP).عملية تجميد HTLP هي صيغة تقليدية تم استخدامها على نطاق واسع في الأعمال التي تم الإبلاغ عنها سابقًا لدمج الماس والنحاس في مواد مركبة كثيفةهذه العملية HTLP تستخدم عادة درجة حرارة التكثيف العالية > 900 درجة مئوية (قريبة من نقطة انصهار النحاس) وضغط التكثيف المنخفض من ~ 50MPa. ومع ذلك في عملية LTHP المقترحة لدينا،يتم تصميم درجة حرارة التجمد لتكون 600 درجة مئويةفي الوقت نفسه ، عن طريق استبدال قالب الجرافيت التقليدي مع قالب الكربيد المسند ، يمكن زيادة ضغط التكثيف إلى 300MPa.وقت التخمير في العمليتين المذكورتين أعلاه هو 10 دقائقفي المواد الإضافية، قمنا بتفسير إضافي حول تحسين معايير عملية LTHP.المعلمات التجريبية التفصيلية للعمليات المختلفة (LTHP و HTLP) موضحة في الشكل (ب) أعلاه.

الاستنتاج

يهدف البحث المذكور أعلاه إلى التغلب على هذه التحديات وتوضيح آليات تحسين أداء نقل الحرارة لتركيبات الماس / النحاس.

1تم تطوير استراتيجية متكاملة جديدة للجمع بين تعديل واجهة رقيقة للغاية مع عملية تجميد LTHP.يحقق المركب الماس/النحاس المستخرج قيمة k عالية تبلغ 763W/mK وقيمة CTE أقل من 10ppm/Kفي الوقت نفسه، يمكن الحصول على قيمة k أعلى في نسبة حجم الماس أقل (45٪، مقارنة بـ 50٪ إلى 70٪ في عمليات المعادن الغبارية التقليدية) ،مما يعني أن التكاليف يمكن تخفيضها بشكل كبير عن طريق تقليل محتوى ملء الماس.

2من خلال الاستراتيجية المقترحة، يتميز هيكل الواجهة الدقيقة بأنها هيكل طبقات الماس / TiC / CuTi2 / Cu، والذي يقلل إلى حد كبير من سمك الطبقة المتوسطة الانتقالية إلى ~ 100nm،أقل بكثير من المئات من نانومترات أو حتى بضعة ميكرونات تستخدم سابقاومع ذلك ، بسبب تقليل تلف الإجهاد الحراري أثناء عملية التحضير ، لا تزال قوة الرابطة بين الوجهات تتحسن إلى مستوى الرابطة المشتركة ،و طاقة الربط بين السطحات 3.661J/m2

3بسبب سمكها الرقيق جداً، سندويتش التحول الماس / النحاس واجهة مصنوعة بعناية لديه مقاومة حرارية منخفضة.نتائج محاكاة MD و Ab-initio تظهر أن واجهة الماس / كربيد التيتانيوم لديها تطابق جيد لخصائص الفونون وقدرة ممتازة على نقل الحرارة (G> 800MW / m2K)ولذلك، فإن الحاجزين المحتملين لنقل الحرارة لم تعد العوامل المحدودة في واجهة الماس والنحاس.

4يتم تحسين قوة رابطة الواجهة بفعالية إلى مستوى الرابطة المشتركة. ومع ذلك ، لم تتأثر قدرة نقل الحرارة بين الواجهات (G = 93.5MW / m2K) ،مما أدى إلى توازن ممتاز بين العوامل الرئيسيةيظهر التحليل أن التحسن المتزامن لهذين العاملين الرئيسيين هو السبب في التوصيل الحراري الممتاز لمكونات الماس / النحاس.