다이아몬드 / 구리 복합재료, 한계를 깨고! ZMSH는 시대에 따라잡고 있습니다.

컴퓨터, 5G/6G, 배터리 등 현대 전자 장치의 지속적인 소형화, 통합 및 높은 성능으로그리고 전력 전자제품은 증가하는 전력 밀도가 심각한 주울 난방과 장치 내부의 높은 온도를 초래했습니다.이것은 성능 저하와 장치 장애로 이어집니다. 효율적인 열 관리는 전자 제품에서 중요한 문제가되었습니다. 이 문제를 완화하기 위해,첨단 열 관리 재료를 전자 부품에 통합하면 열 분산 능력을 크게 향상시킬 수 있습니다..

다이아몬드는 뛰어난 열 특성을 가지고 있으며, 모든 대용품 중 가장 높은 동위 열 전도성을 (k = 2300 W/mK) 나타냅니다.그리고 방온에서 열 확장 계수가 매우 낮습니다 (CTE = 1 ppm/K). 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.

그러나 다이아몬드와 구리 사이에는 CTE (대량 순서에서 상당한 차이가 있으며,그림 (a) 에 표시된 바와 같이 화학적 친밀성 (이들은 혼합되지 않으며 화학 반응에 노출되지 않습니다), 그림 (b) 에서 나타낸 바와 같이).

이러한 불일치는 필연적으로 고온 제조 또는 통합 과정에서 다이아몬드 / 구리 복합재의 고유한 낮은 결합 강도를 초래합니다.그리고 다이아몬드 / 구리 인터페이스에서 높은 열 스트레스따라서 다이아몬드 / 구리 복합재료는 인터페이스 균열에 취약하여 열전도성을 크게 감소시킵니다 ( 다이아몬드와 구리가 직접 결합되면,그 k 값은 순수한 구리보다 훨씬 낮을 수 있습니다.200W/mK 이하에도).

현재 주요 개선 방법은 금속 합금 또는 표면 금속화를 통해 다이아몬드 / 다이아몬드 인터페이스의 화학적 수정입니다.인터페이스에서 형성 된 전환 간층은 인터페이스 결합 강도를 향상시킬 수 있습니다., 그리고 비교적 두꺼운 간층은 인터페이스 균열에 저항하는 데 더 유리합니다. 문헌에서 언급 된 바와 같이, 결합 효과를 달성하기 위해,간층의 두께는 수백 나노미터 또는 심지어 마이크로미터의 순위에 있어야합니다.그러나 다이아몬드 / 구리 인터페이스의 전환 간층, 예를 들어 탄화물 (예를 들어, TiC, ZrC, Cr3C2) 는 내재 열 전도도가 낮습니다 (<25 W/mK),다이아몬드나 구리보다 몇 배 정도 작다.인터페이스 열 전달 효율을 향상시키기 위한 관점에서, 과도기 간층의 두께를 최소화하는 것이 필수적입니다.표면 열전도 (G_cu 다이아몬드) 는 간층 두께 (d) 와 역비례합니다..

비교적 두꺼운 전환 간층은 다이아몬드 / 다이아몬드 인터페이스에서 인터페이스 결합 강도를 향상시키는 데 도움이됩니다.중층의 과도한 열 저항이 인터페이스 전체로 열 전달을 방해합니다.따라서, 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.

인터페이스의 화학 상태는 이질적인 물질 사이의 인터페이스 결합 강도를 결정합니다. 예를 들어,화학 결합은 반데르왈스 힘이나 수소 결합보다 훨씬 강합니다.다른 한편으로는,인터페이스 양쪽의 열 확장 불균형 (T는 CTE와 온도를 나타냅니다) 은 다이아몬드/황 합성물의 결합 강도에 영향을 미치는 또 다른 중요한 요소입니다.그림 (a) 에서 나타난 바와 같이 다이아몬드와 구리 사이의 열 팽창 계수들의 크기 순서에서 상당한 차이가 있습니다.

일반적으로,열 확장 불균형은 항상 냉각 중에 필러 주위의 부착 밀도가 크게 증가하기 때문에 많은 복합 물질의 성능에 영향을 미치는 핵심 요소입니다.특히 금속이 아닌 필러로 강화 된 금속 매트릭스 복합재료, 예를 들어 AlN/Al 복합재료, TiB2/Mg 복합재료, SiC/Al 복합재료, 그리고 이 논문에서 연구된 다이아몬드/보리 복합재료.또한, 다이아몬드/보리 복합재료의 제조 온도는 비교적 높으며, 일반적인 공정에서는 900°C를 넘습니다.상당한 열 확장 불일치로 다이아몬드 / 구리 인터페이스에서 긴장 상태에서 열 스트레스를 쉽게 생성 할 수 있습니다., 인터페이스 접착력이 급격히 감소하고 심지어 인터페이스 실패로 이어집니다.

즉, 인터페이스의 화학 상태는 인터페이스 결합 강도에 대한 이론적 잠재력을 결정합니다.열 불균형은 고온 복합 제조 후 인터페이스 결합 강도의 감소 정도를 결정합니다.따라서, 최종 인터페이스 결합 강도는 이 두 가지 요소 사이의 상호 작용의 결과입니다. 그러나,현재 대부분의 연구는 인터페이스의 화학 상태를 조정함으로써 인터페이스 결합 강도를 향상시키는 데 초점을 맞추고 있습니다., 예를 들어 전환 간층의 유형, 두께 및 형태학.인터페이스에서 심각한 열 불균형으로 인한 인터페이스 결합 강도의 감소는 아직 충분한 관심을받지 못했습니다..

그림 (a) 에 나타난 바와 같이 준비 과정에는 세 가지 주요 단계가 있습니다.다이아몬드 입자의 표면에 70nm의 명목 두께의 얇은 티타늄 (Ti) 코팅이 퇴적됩니다 (모델): HHD90, 망 크기: 60/70, Huanghe Whirlwind Co., Ltd., Henan, 중국) 는 500°C의 전파 주파수 마그네트론 스프터링을 사용하여 고순도 티타늄 표적 (순도: 99.99%) 가 원료로 사용됩니다., 그리고 아르곤 가스 (순수성: 99.995%) 는 스프터링 가스로 작용합니다. Ti 코팅의 두께는 퇴적 시간을 조절하여 제어됩니다. 퇴적 과정 중에,기판 회전 기술이 사용됩니다., 다이아몬드 입자의 모든 표면이 스프터링 대기권에 노출될 수 있도록,티 원소가 다이아몬드 입자의 모든 표면 평면에 균일하게 퇴적되도록 보장합니다 (주로 두 종류의 면을 포함합니다.): (001) 및 (111)).

두 번째로, 습기 혼합 과정에서 다이아몬드 입자의 구리 매트릭스 내의 균일 분포를 보장하기 위해 10 wt%의 알코올이 첨가됩니다. 순수한 구리 가루 (순도: 99.85 wt%,입자 크기: 5?? 20μm, Zhongnuo Advanced Materials Technology Co., Ltd, 중국) 및 고품질의 단일 결정 다이아몬드 입자가 매트릭스 (55vol%) 및 강화 단계 (45vol%) 로 사용됩니다.각각.

마지막으로, 알코올은 10^-4 Pa의 높은 진공에서 사전 압축 된 복합 물질에서 제거됩니다.그리고 구리 다이아몬드 복합 물질은 분자 금속 공학 방법을 사용하여 밀축됩니다 (스파크 플라즈마 시너링), SPS).

SPS 준비 과정에서 우리는 혁신적으로 낮은 온도 고압 (LTHP) 진료 기술을 제안했으며, 얇은 인터페이스 수정 (70 nm) 과 결합했습니다.코팅 자체에 의해 도입 된 열 저항을 줄이기 위해, 얇은 인터페이스 수정 계층 (70 nm) 이 사용되었습니다. 비교를 위해, 우리는 또한 전통적인 고온 저압 (HTLP) 합성 재료를 사용하여 합성 재료를 준비했습니다.HTLP 합금 기술 은 다이아몬드와 구리 를 밀집 된 복합물 로 통합 하기 위해 이전 작업 에서 널리 사용 된 기존 방법 이다이 HTLP 프로세스는 일반적으로 900 ° C 이상의 높은 합금 온도 (황의 녹는 지점 근처) 와 약 50 MPa의 낮은 합금 압력을 사용합니다. 그러나 우리가 제안하는 LTHP 프로세스에서시너지 온도는 600°C로 설정됩니다.동시다발적으로 전통적인 그래피트 폼을 단단한 합금 폼으로 대체함으로써시너지 압력이 300 MPa까지 크게 증가 할 수 있습니다.두 프로세스의 sintering 시간은 10 분입니다. LTHP 프로세스 매개 변수 최적화에 대한 추가 정보는 보충 자료에서 제공됩니다.다른 공정 (LTHP 및 HTLP) 의 실험 매개 변수는 그림 (b) 에 표시됩니다..

위의 연구의 결론은 이러한 과제를 극복하고 다이아몬드/보프 복합재의 열 운반 특성을 향상시키는 메커니즘을 밝혀내는 것을 목표로합니다.

1. 새로운 통합 전략은 LTHP 합금 과정과 초 얇은 인터페이스 변경을 결합합니다.그 결과 다이아몬드 / 구리 복합체는 763 W/mK의 높은 열 전도성 값 (k) 을 달성했습니다., 열 확장 계수 (CTE) 값이 10ppm/K 미만입니다.높은 k 값은 다이아몬드 부피 비율이 낮더라도 얻었습니다. (45%는 전통적인 분말 금속 공학 과정에서 전형적인 50%-70%에 비해 45%), 다이아몬드 필러의 양을 줄임으로써 비용을 크게 줄일 수 있음을 나타냅니다.

2. 제안된 전략에 의해 정제 된 인터페이스 구조는 다이아몬드/TiC/CuTi2/Cu의 층 구조로 특징 지었습니다.이 전환층의 두께를 약 100nm로 크게 줄였습니다., 이전에 사용 된 수백 나노미터 또는 마이크로미터보다 훨씬 적습니다. 그러나 준비 과정에서 열 스트레스 손상이 감소했기 때문에,인터페이스 결합 강도는 여전히 코발렌트 결합 수준으로 향상되었습니다., 3.661 J/m2의 인터페이스 결합 에너지

3. 극히 얇은 특성상, 신중하게 제작 된 다이아몬드 / 구리 인터페이스 전환 층은 낮은 열 저항을 나타냅니다. 한편, 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)따라서 두 가지 잠재적 인 열 전달 병목은 다이아몬드 / 구리 인터페이스의 제한 요소가 아닙니다.

인터페이스 결합 강도는 코발렌트 결합 수준으로 효과적으로 증가했습니다. 그러나 인터페이스 열 전달 능력 (G = 93.5 MW/m2K) 은 영향을받지 않았습니다.이 두 가지 중요한 요소 사이의 훌륭한 균형을 달성분석에 따르면 이 두 가지 핵심 요소의 동시에 개선이 다이아몬드/황금 복합재의 우수한 열전도성의 이유입니다.

 

ZMSH 의 해결책

구리 기판 단일 결정 Cu 웨이퍼 5x5x0.5/lmm 10x10x0.5/1mm 20x20x0.5/1mm a=3.607A

알 서브스트라트 단일 결정 알루미늄 서브스트라트 순도 99/99% 5×5×1/0.5mm 10×10×1/0.5 20x20x0.5/1mm