다이아몬드 / 구리 (Cu) 복합재료 고 열전도성 및 향상된 기계 성능 응용

다이아몬드 / 구리 (Cu) 복합재료 고 열전도성 및 향상된 기계 성능 응용

1980년대 이후 전자 부품 내의 회로의 통합 수준은 매년 1.5배나 더 빠르게 증가하고 있습니다.통합 회로의 통합 수준이 높아짐에 따라, 전류는 그에 따라 증가하여 작동 중에 더 많은 열을 생성합니다. 열이 적시에 분산되지 않으면,전자 부품에 열 손상을 입히고 사용 수명을 줄일 수 있습니다.따라서 전자 부품의 증가하는 열 분산 수요를 충족시키기 위해 높은 열 전도성을 가진 전자 포장 재료는 지속적으로 연구되고 최적화되었습니다.

Cu, Ag, Al와 같은 순수한 금속은 높은 열전도성을 가지고 있지만 과도하게 높은 열팽창률을 가지고 있습니다. Cu-W 및 Cu-Mo와 같은 합금 물질은 열전도성이 낮습니다. 따라서,전자 부품의 정상적인 작동을 보장하고 수명을 연장하기 위해, 높은 열전도성과 적절한 열팽창 계수를 가진 새로운 포장재 개발이 시급합니다. 다이아몬드는 현재 가장 단단한 자연 재료로 알려져 있습니다.모스 경도는 10, 또한 200 ~ 2200 W/ (((m·K까지 도달하는 가장 높은 열 전도성을 가진 자연 재료 중 하나입니다. 다이아몬드와 구리의 열 특성을 결합하여,다이아몬드 / 구리 복합재료는 구리를 매트릭스와 다이아몬드를 강화로 사용하여 미래의 주요 열전도 높은 전자 포장재로 널리 간주됩니다..

다이아몬드 / 구리 복합물은 다이아몬드로 구성된 고성능 복합 물질입니다.

다이아몬드 / 구리 복합 물질에 대한 일반적인 준비 방법은: 분말 금속, 고 온도 및 고 압력, 녹기 침투, 불꽃 플라즈마 시너링, 차가운 분사 및 기타입니다.

(1) 파우더 금속

다이아몬드 입자를함유량. 혼합 과정에서 특정 양의 결합 물질과 형성 물질을 첨가 할 수 있습니다. 혼합 된 분말과 첨가물을 압축 한 후 모양으로,고열전도성 다이아몬드/Cu 복합재료를 얻기 위해 합금파우더 금속공학은 비교적 저렴한 비용의 간단한 과정이며 비교적 성숙한 시너링 기술입니다. 그러나 결과 파우더는 밀도가 낮고 내부 미세 구조가 불균형합니다.추가로, 준비 된 샘플은 크기가 제한되고 모양이 단순하므로 열전도 물질을 직접적으로 얻는 것이 어렵습니다.

(2) 고온 과 고압

(3) 녹기 침투

(4) 스파크 플라즈마 싱터링 (SPS)

(5) 차가운 분사

냉 스프레이 퇴적은 두 개의 혼합 분말을 오븐 챔버에 넣는 것을 포함합니다. 금속을 녹이고 액체 금속을 원자화 한 후,입자는 분사되고 기판 판에 퇴적하여 복합 물질을 얻습니다..

다이아몬드와 Cu 행렬 사이의 인터페이스 문제를 해결하기 위해 전략이 사용됩니다.

복합재료의 제조에 있어서, 구성요소들 사이의 상호 수분성은 성공적인 복합화 (compounding) 를 위한 필수적인 전제 조건입니다.그리고 그것은 인터페이스 구조와 결합 상태를 결정하는 데 결정적인 역할을 합니다다이아몬드와 구리 사이의 수분성이 떨어지는 것은 높은 인터페이스 열 저항을 초래합니다. 따라서 다이아몬드-Cu 인터페이스를 수정하기 위해 다양한 기술적 접근법이 탐구되었습니다.복합재의 성능을 향상시키는 데 중요한.

현재 다이아몬드와 Cu 행렬 사이의 인터페이스 문제를 해결하기 위해 두 가지 주요 전략이 사용됩니다.

다이아몬드의 표면 변형
다이아몬드 입자의 표면을 Mo, Ti, W 또는 Cr 같은 활성 요소로 코팅하면 인터페이스 특성을 크게 향상시킬 수 있습니다.이 원소들은 다이아몬드 표면의 탄소와 반응하여 탄화탄 전환층을 형성합니다., 다이아몬드와 금속 매트릭스 사이의 수분성을 향상시킵니다. 또한 이러한 코팅은 다이아몬드 구조를 높은 온도에서 붕괴로부터 보호 할 수 있습니다.

구리 매트릭스의 합금

복합물 가공 전, 구리 매트릭스는 활성 원소 로 전 합금 될 수 있다. 이 전 합금 접근법 은 일반적으로 더 높은 열 전도성 을 가진 복합물 을 생산 한다.구리 매트릭스에 활성 원소를 도입하면 다이아몬드와 구리 사이의 접촉 각도를 효과적으로 줄이고 다이아몬드/Cu 인터페이스에서 탄화물 층의 형성을 촉진합니다.구리 매트릭스에서 부분적으로 용해 될 수 있는 이 탄화물은 인터페이스 공백을 채우는데 도움을 주고 열 성능을 크게 향상시킵니다.

시장 경관 및 발전 추세

시장 구조

국제적 리더십:
고급 시장은 AMETEK (미국) 및 Sumitomo Electric (일본) 와 같은 국제적 플레이어들이 지배하고 있으며, 주로 군사 및 항공 우주 부문에 서비스를 제공합니다.헤레이우스 (독일) 와 토호 티타늄 (일본) 은 소비자 전자제품의 열 관리 기판에 초점을 맞추고.

국내 생산의 진전:
중국 제조업체 (예를 들어, 금속 연구소, 중국 과학 아카데미;후난 딩리 기술) 는 분말 금속 기술을 통해 6 인치 다이아몬드 / Cu 복합 기판의 대량 생산을 달성했습니다.2023년까지 중국 기업들은 국내 시장 점유율의 25%를 차지했습니다.

시장 규모

QY 리서치 (QY Research) 의 예측에 따르면, 세계 다이아몬드/Cu 복합재 시장은 2025년까지 12억 달러에 달할 것으로 예상되며, 연평균 성장률은 18%입니다.아시아·태평양 지역은 세계 수요의 50% 이상을 차지할 것으로 예상됩니다..

5G 통신 부문에서, 기지국 열 관리 모듈의 수요는 2024년까지 복합 재료 소비량의 300% 증가에 이바지할 것으로 예상됩니다.

미래 경향

합성 다이아몬드 기술에서의 돌파구:
화학 증기 퇴적 (CVD) 다이아몬드의 비용은 다음 10 년 이내에 현재 수준의 10 분의 1으로 떨어질 것으로 예상됩니다.

이질적인 통합 응용 프로그램:
초밀하고 유연한 열 필름의 개발은 다이아몬드를 그래핀과 붕산화와 같은 2차원 물질로 합성함으로써 이루어집니다.

스마트 열 관리:
다이아몬드 / Cu 기판에 온도 센서를 통합하여 실시간 열 분포 모니터링 및 동적 열 조절을 가능하게합니다.

과제와 미래 연구 방향

기술적인 곤경

낮은 인터페이스 열 저항과 높은 대량 생산 생산량을 동시에 달성하는 데 어려움이 있기 때문에 다이아몬드 / Cu 복합재의 소비 전자 시장의 침투를 제한합니다.

장시간 고온 서비스 중에 인터페이스 산화와 원소 확산에 대한 지속적인 문제

연구 방향

생체 모방 인터페이스 설계:
자연의 층 구조 (예를 들어, 나크) 로 영감을 받아, 열기계 결합 성능을 최적화하기 위해 다중 규모 강화 분배 전략이 탐구되고 있습니다.

친환경 제조 공정:
환경 친화적 인 공정의 개발, 예를 들어 탄소 배출을 줄이기 위해 시안이드 없는 가전화 및 저온 가전화.

초고온 복합재료:
다이아몬드/Cu 복합재료의 1000°C 이상의 환경에서의 응용 잠재력을 조사합니다.

결론

비교할 수 없는 열전도성과 광범위한 기계적 장점 덕분에다이아몬드/Cu 복합재료는 극한 조건에서 고전력 밀도 전자 장치 및 응용 프로그램의 핵심 재료로 떠오르고 있습니다.인터페이스 최적화와 비용 절감에 대한 도전에도 불구하고,합성 기술의 지속적인 발전과 산업 사슬의 점진적 성숙은 더 광범위한 채택을위한 길을 열어줍니다..

미래에는 재료 과학, 나노 기술,인공지능과 다이아몬드/Cu 복합재료는 전자 기기를 더 높은 성능으로 이끌 것으로 예상됩니다.또한, 이러한 재료들은 전 세계 에너지 효율을 향상시키고 탄소 중립성 이니셔티브를 지원하는 데 중요한 역할을 할 것입니다.

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