Bahan komposit berlian/tembaga, menerobos keterbatasan!

Dengan miniaturisasi terus menerus, integrasi, dan kinerja tinggi dari perangkat elektronik modern termasuk komputasi, 5G/6G, baterai,dan power electronics, meningkatnya kepadatan daya telah menyebabkan pemanasan Joule yang parah dan suhu tinggi di dalam perangkat. Ini mengakibatkan degradasi kinerja dan kegagalan perangkat. manajemen termal yang efisien telah menjadi masalah yang signifikan dalam produk elektronik.mengintegrasikan bahan manajemen termal canggih ke komponen elektronik dapat secara signifikan meningkatkan kemampuan disipasi panas mereka.

Berlian memiliki sifat termal yang sangat baik, menunjukkan konduktivitas termal isotropik tertinggi (k = 2300 W/mK) di antara semua bahan bulk,dan memiliki koefisien ekspansi termal yang sangat rendah (CTE = 1 ppm/K pada suhu kamar). 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.

Namun, ada ketidakcocokan yang signifikan antara berlian dan tembaga dalam banyak aspek kinerja, termasuk tetapi tidak terbatas pada CTE (dengan perbedaan signifikan dalam urutan besar,seperti yang ditunjukkan pada Gambar (a)) dan afinitas kimia (mereka tidak bisa dicampur dan tidak mengalami reaksi kimia), seperti yang diilustrasikan dalam Gambar (b)).

Ketidakcocokan ini pasti menyebabkan kekuatan ikatan rendah yang melekat pada komposit berlian/tembaga selama proses manufaktur atau integrasi suhu tinggi,serta tekanan termal tinggi di antarmuka berlian/tembagaAkibatnya, komposit berlian/tembaga rentan terhadap retakan antarmuka, yang secara signifikan mengurangi konduktivitas termal (ketika berlian dan tembaga diikat langsung,nilai k mereka bisa jauh lebih rendah dari tembaga murni, bahkan di bawah 200 W/mK).

Saat ini, metode perbaikan utama melibatkan modifikasi kimia dari antarmuka berlian/berlian melalui paduan logam atau metalisasi permukaan.Lapisan transisi yang terbentuk di antarmuka dapat meningkatkan kekuatan ikatan antarmuka, dan lapisan antar yang relatif lebih tebal lebih bermanfaat dalam menahan retakan antarmuka.ketebalan lapisan antar harus dalam urutan ratusan nanometer atau bahkan mikrometerNamun, interlayer transisi pada antarmuka berlian/tembaga, seperti karbida (misalnya, TiC, ZrC, Cr3C2), menunjukkan konduktivitas termal intrinsik yang lebih rendah (< 25 W/mK),beberapa urutan besar lebih kecil dari berlian atau tembagaDari perspektif peningkatan efisiensi transfer panas antarmuka, sangat penting untuk meminimalkan ketebalan interlayer transisi karena, menurut model resistensi termal,Konduktivitas termal antarmuka (G_cu-diamond) adalah berbanding terbalik dengan ketebalan interlayer (d).

Sementara lapisan transisi yang relatif lebih tebal membantu meningkatkan kekuatan ikatan antarmuka di antarmuka berlian / berlian,resistensi termal yang berlebihan dari lapisan antar menghambat transfer panas di seluruh antarmukaOleh karena itu, 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.

Keadaan kimiawi antarmuka menentukan kekuatan ikatan antarmuka antara bahan heterogen.ikatan kimia yang secara signifikan lebih kuat dari kekuatan van der Waals atau ikatan hidrogenDi sisi lain,ketidaksesuaian ekspansi termal di kedua sisi antarmuka (di mana T mewakili CTE dan suhu) adalah faktor kritis lain yang mempengaruhi kekuatan ikatan komposit berlian/tembagaSeperti yang ditunjukkan pada Gambar (a), ada perbedaan yang signifikan dalam urutan besar koefisien ekspansi termal antara berlian dan tembaga.

Secara umum,ketidakcocokan ekspansi termal selalu menjadi faktor kunci yang mempengaruhi kinerja banyak komposit karena kepadatan dislokasi di sekitar pengisi meningkat secara signifikan selama pendinginan, terutama dalam komposit matriks logam yang diperkuat dengan pengisi non-logam, seperti komposit AlN/Al, TiB2/Mg, komposit SiC/Al, dan komposit berlian/tembaga yang dipelajari dalam makalah ini.Selain itu, suhu persiapan komposit berlian/tembaga relatif tinggi, biasanya melebihi 900 °C dalam proses konvensional.Ketidaksesuaian ekspansi termal yang signifikan dapat dengan mudah menghasilkan tegangan termal dalam keadaan tarik di antarmuka berlian/tembaga, menyebabkan penurunan tajam pada adhesi antar muka dan bahkan kegagalan antar muka.

Dengan kata lain, keadaan kimia antarmuka menentukan potensi teoritis untuk kekuatan ikatan antarmuka,sementara ketidakcocokan termal menentukan tingkat pengurangan kekuatan ikatan antarmuka setelah pembuatan komposit suhu tinggiOleh karena itu, kekuatan ikatan antarmuka akhir adalah hasil dari interaksi antara kedua faktor ini.sebagian besar penelitian saat ini berfokus pada peningkatan kekuatan ikatan antarmuka dengan menyesuaikan keadaan kimia antarmuka, seperti melalui jenis, ketebalan, dan morfologi lapisan antar transisi.Penurunan kekuatan ikatan antarmuka karena ketidakcocokan termal yang parah di antarmuka belum mendapat perhatian yang cukup.

Proses persiapan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar (a), mencakup tiga tahap utama.ketebalan nominal 70 nm dari lapisan titanium (Ti) tipis disimpan di permukaan partikel berlian (model: HHD90, ukuran bolong: 60/70, Huanghe Whirlwind Co., Ltd., Henan, Cina) menggunakan radio frequency magnetron sputtering pada 500°C. Target titanium kemurnian tinggi (keluarnya kemurnian: 99.99%) digunakan sebagai bahan baku, dan gas argon (kesucian: 99,995%) berfungsi sebagai gas penyemprot. Ketebalan lapisan Ti dikendalikan dengan menyesuaikan waktu deposisi.digunakan teknik rotasi substrat, memungkinkan semua permukaan partikel berlian untuk terkena atmosfer sputtering,memastikan bahwa elemen Ti terdeposit secara seragam pada semua permukaan partikel berlian (terutama termasuk dua jenis facets): (001) dan (111)).

Kedua, selama proses pencampuran basah, 10 wt% alkohol ditambahkan untuk memastikan distribusi partikel berlian yang seragam dalam matriks tembaga.ukuran partikel: 5?? 20 μm, Zhongnuo Advanced Materials Technology Co., Ltd., China) dan partikel berlian kristal tunggal berkualitas tinggi digunakan sebagai matriks (55 vol%) dan fase penguat (45 vol%),masing-masing.

Akhirnya, alkohol dihapus dari bahan komposit pra-diperas dalam vakum tinggi 10^-4 Pa,dan bahan komposit tembaga-berlian dikentalkan menggunakan metode metalurgi bubuk (spark plasma sintering), SPS).

Dalam proses persiapan SPS, kami secara inovatif mengusulkan teknik sintering Low-Temperature-High-Pressure (LTHP), menggabungkannya dengan modifikasi antarmuka tipis (70 nm).Untuk mengurangi ketahanan termal yang diperkenalkan oleh lapisan itu sendiri, lapisan modifikasi antarmuka tipis (70 nm) digunakan. Untuk perbandingan, kami juga menyiapkan bahan komposit menggunakan proses sintering suhu tinggi dan tekanan rendah (HTLP) tradisional.Teknik sintering HTLP adalah metode konvensional yang banyak digunakan dalam pekerjaan sebelumnya untuk mengintegrasikan berlian dan tembaga ke dalam komposit padatProses HTLP ini biasanya menggunakan suhu sinter tinggi lebih dari 900 ° C (dekat dengan titik leleh tembaga) dan tekanan sinter rendah sekitar 50 MPa. Namun, dalam proses LTHP yang kami usulkan,suhu sintering diatur pada 600°CPada saat yang sama, dengan mengganti cetakan grafit tradisional dengan cetakan paduan keras,tekanan sintering dapat ditingkatkan secara substansial menjadi 300 MPaWaktu sintering untuk kedua proses adalah 10 menit. Rincian tambahan tentang pengoptimalan parameter proses LTHP diberikan dalam bahan tambahan.Parameter eksperimen untuk proses yang berbeda (LTHP dan HTLP) ditunjukkan dalam Gambar (b).

Kesimpulan dari penelitian di atas bertujuan untuk mengatasi tantangan ini dan menjelaskan mekanisme untuk meningkatkan sifat transportasi termal dari komposit berlian/tembaga:

1. Strategi integrasi baru dikembangkan yang menggabungkan modifikasi antarmuka ultra tipis dengan proses sintering LTHP.Hasilnya komposit berlian/tembaga mencapai nilai konduktivitas termal tinggi (k) 763 W/mK, dengan nilai koefisien ekspansi termal (CTE) kurang dari 10 ppm/K.nilai k yang tinggi diperoleh bahkan pada fraksi volume berlian yang lebih rendah (45% dibandingkan dengan 50%-70% yang khas dalam proses metalurgi bubuk konvensional), menunjukkan bahwa biaya dapat dikurangi secara signifikan dengan mengurangi jumlah pengisi berlian.

2. Melalui strategi yang diusulkan, struktur antarmuka yang disempurnakan ditandai sebagai struktur berlapis berlian/TiC/CuTi2/Cu,yang sangat mengurangi ketebalan lapisan transisi menjadi sekitar 100 nm, jauh lebih kecil dari beberapa ratus nanometer atau bahkan mikrometer yang digunakan sebelumnya.kekuatan ikatan antarmuka masih ditingkatkan ke tingkat ikatan kovalen, dengan energi ikatan antarmuka 3.661 J/m2.

3. Karena sifatnya yang sangat tipis, lapisan transisi antarmuka berlian/tembaga yang dibuat dengan hati-hati menunjukkan ketahanan termal yang rendah. 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)Dengan demikian, dua potensi kemacetan transfer panas tidak lagi menjadi faktor pembatasan untuk antarmuka berlian/tembaga.

Kekuatan ikatan antarmuka secara efektif meningkat ke tingkat ikatan kovalen. Namun, kapasitas transfer panas antarmuka (G = 93,5 MW / m2K) tetap tidak terpengaruh,mencapai keseimbangan yang sangat baik antara kedua faktor kritis iniAnalisis menunjukkan bahwa peningkatan bersamaan dari kedua faktor kunci ini adalah alasan untuk konduktivitas termal yang superior dari komposit berlian/tembaga.

 

Solusi ZMSH

Substrat tembaga kristal tunggal Cu wafer 5x5x0.5/lmm 10x10x0.5/1mm 20x20x0.5/1mm a=3.607A

Al substrat kristal tunggal Aluminium substrat kemurnian 99/99% 5×5×1/0.5 mm 10×10×1/0.5 20x20x0.5/1 mm