다이아몬드 / 구리 복합 물질, 한계를 넘어서라!
컴퓨터, 5G/6G, 배터리, 파워 일렉트로닉을 포함한 현대 전자 장치의 지속적인 소형화, 통합 및 고성능으로,증가하는 전력 밀도는 장치 채널에서 심각한 주울 열과 높은 온도를 초래합니다.이 결과, 성능 저하와 장치 고장이 발생합니다. 효율적인 열 분산은 전자 제품에서 중요한 문제가 되고 있습니다. 이 문제를 완화하기 위해,첨단 열 관리 재료의 전자 장치에 대한 통합은 그들의 열 분산 능력을 크게 향상시킬 수 있습니다..
다이아몬드는 뛰어난 열 특성을 가지고 있으며, 모든 대량 재료 중 가장 높은 동위 열 전도성 (k= 2300W/mK) 을 가지고 있습니다.방온에서 열 확장 계수가 매우 낮다 (CTE=1ppm/K)다이아몬드 입자 강화 구리 매트릭스 (다이아몬드 / 구리) 복합물, 새로운 세대의 열 관리 재료로,잠재적으로 높은 k 값과 조절 가능한 CTE 때문에 많은 관심을 받았습니다..
그러나 다이아몬드와 구리 사이에는 CTE (대량 순서에서의 명백한 차이,그림 (a) 에서 보여진 바와 같이 화학적 친밀성 (고체 용액이 없습니다), 그림 (b) 에 표시된 바와 같이 화학 반응이 없습니다.
구리와 다이아몬드 사이의 중요한 성능 차이 (a) 열 확장 계수 (CTE) 및 (b) 단계 다이어그램
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 composites그 결과, 다이아몬드 / 구리 복합재료는 필연적으로 인터페이스 균열 문제를 겪을 것이며 열 전도성이 크게 감소 할 것입니다.그 k 값은 순수한 구리보다 훨씬 낮습니다 (< 200W/mK).
현재 주요 개선 방법은 금속 합금 또는 표면 금속화를 통해 다이아몬드 / 다이아몬드 인터페이스를 화학적으로 수정하는 것입니다.인터페이스에 형성 된 과도기 간층은 인터페이스 결합 힘을 향상시킬 것입니다, 그리고 상대적으로 두꺼운 간층은 인터페이스 균열에 더 잘 견딜 수 있습니다. 참조에서 언급했듯이, 결합을 달성하기 위해,간층의 두께는 수백 나노미터 또는 마이크로미터가 필요합니다.그러나 다이아몬드 / 구리 인터페이스의 과도기 간층, 예를 들어 탄화물 (TiC, ZrC, Cr3C2, 등) 은 내재 열 전도성이 낮습니다 (< 25W / mK,다이아몬드나 구리보다 몇 배 정도 작다)인터페이스 열 분산 효율을 향상 시점에서는 전환 샌드위치의 두께를 최소화해야합니다.왜냐하면 열 저항 시리즈 모델에 따르면, 인터페이스 열전도 (G 구리 다이아몬드) 는 샌드위치 (d) 의 두께에 역비례합니다:
비교적 두꺼운 과도층은 다이아몬드 / 다이아몬드 인터페이스의 인터페이스 결합 힘을 향상시키는 데 도움이됩니다.그러나 중간 층의 과도한 열 저항은 인터페이스 열 전달을 촉진하지 않습니다.따라서, 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.
인터페이스의 화학 상태는 이질적인 물질 사이의 인터페이스 결합 강도를 결정합니다. 예를 들어,화학 결합은 반데르왈스 힘이나 수소 결합보다 훨씬 높습니다.다른 한편으로, 인터페이스의 두쪽 사이 사이의 열 확장 불일치 (T는 CTE와 온도를 나타냅니다.각각) 는 다이아몬드 / 구리 복합재의 인터페이스 결합 강도를 결정하는 또 다른 핵심 요소입니다.위 그림 (a) 에서 보여준 바와 같이, 다이아몬드와 구리의 열 확장 계수는 크기 순서에서 분명히 다릅니다.
일반적으로 열 확장 불균형은 냉각 중에 필러 주위의 변동 밀도가 크게 증가하기 때문에 많은 복합재의 성능에 영향을 미치는 핵심 요소입니다.특히 비금속 필러로 강화된 금속 매트릭스 복합재료이 논문에서는 AlN/Al 복합물, TiB2/Mg 복합물, SiC/Al 복합물 및 다이아몬드/보리 복합물 등이 연구되었습니다.다이아몬드 / 구리 복합체는 더 높은 온도에서 준비됩니다., 일반적으로 전통적인 공정에서 900 ° C 이상입니다. 명백한 열 확장 불균형은 다이아몬드 / 구리 인터페이스의 팽창 상태에서 열 스트레스를 생성하기가 쉽습니다.그 결과 인터페이스 접착력이 급격히 감소하고 심지어 인터페이스 장애가 발생합니다..
다른 말로 하면, 인터페이스 화학 상태는 인터페이스 결합 강도의 이론적 잠재력을 결정합니다.그리고 열 불균형은 복합 재료의 고온 준비 후 인터페이스 결합 강도의 감소 정도를 결정합니다.따라서, 최종 인터페이스 결합 힘은 위의 두 가지 요소 사이의 게임의 결과입니다. 그러나,대부분의 현재 연구는 인터페이스의 화학 상태를 조정함으로써 인터페이스 결합 강도를 향상시키는 데 초점을 맞추고 있습니다.그러나 심각한 열 불일치로 인한 인터페이스 결합 강도의 감소는 충분한 관심을 기울이지 않았습니다.
구체적인 실험
아래 그림 (a) 에 나타난 바와 같이, 준비 과정은 세 가지 주요 단계로 구성됩니다. 첫째,다이아몬드 입자의 표면에 70nm의 명목 두께의 초얇은 Ti 코팅이 퇴적되었습니다 (모델: HHD90, 매스: 60/70, Henan Huanghe Cyclone Co., LTD., 중국) 는 RF 마그네트론 스프터링 퇴적 방법으로 500 ° C에서 고 순수 티타늄 판 (순수: 99.99%) 는 티타늄 표적으로 사용됩니다 (원료), 아르곤 (순결성: 99.995%) 은 스프터링 가스로 사용됩니다. 디포시션 시간을 제어하여 티타늄 코팅의 두께가 제어됩니다.기판 회전 기술은 다이아몬드 입자의 모든 면을 스프터링 대기권에 노출시키는 데 사용됩니다., 그리고 Ti 원소는 다이아몬드 입자의 모든 표면 평면에 균일하게 퇴적됩니다 (주로 두 가지 면을 포함합니다: (001) 및 (111)).10wt% 알코올은 다이아몬드 입자가 구리 행렬에 균등하게 분포하도록 습한 혼합 과정에서 첨가됩니다.순수한 구리 분말 (순도: 99.85wt%, 입자 크기: 5 ~ 20μm, 중국 Zhongnuo 고급 재료 기술 회사, LTD.고품질의 단일 결정 다이아몬드 입자가 행렬 (55vol%) 및 강화 (45vol%) 로 사용됩니다.마지막으로, 10-4Pa의 높은 진공으로 사전 압축 된 복합재의 알코올이 제거됩니다.그리고 그 다음 구리와 다이아몬드 복합체는 분자 금속공학 (스파크 플라즈마 시너링) 으로 밀집됩니다., SPS).
(a) 다이아몬드 / 구리 복합물의 준비 과정의 계획 도표
SPS 준비 과정에서 우리는 혁신적으로 낮은 온도 고압 (LTHP) 합금 과정을 제안하고 초 얇은 코팅 (70nm) 의 인터페이스 수정과 결합했습니다.코팅 자체의 열 저항의 도입을 줄이기 위해이 작업에서는 초 얇은 인터페이스 변형 층 (70nm) 이 사용되었습니다. 비교를 위해 우리는 또한 전통적인 고 온도 저압 (HTLP) 합성 합금 과정을 사용하여 합성 물질을 준비했습니다.HTLP 합금 공정은 다이아몬드와 구리를 밀집합재료로 통합하기 위해 이전에 보고된 작업에서 널리 사용 된 전통적인 공식입니다.이 HTLP 프로세스는 일반적으로 > 900 °C의 높은 합금 온도 (황의 녹는점 근처) 와 ~ 50MPa의 낮은 합금 압력을 사용합니다. 그러나 우리가 제안하는 LTHP 프로세스에서,시너지 온도는 600°C로 설계되어 있습니다.동시다발적으로, 전통적인 그래피트 폼을 시멘트 된 탄화물 폼으로 대체함으로써 시너링 압력은 300MPa까지 크게 증가 할 수 있습니다.위의 두 과정의 합금 시간은 10 분입니다.추가 자료에서는 LTHP 프로세스 매개 변수 최적화에 대한 추가 설명을했습니다.각기 다른 공정 (LTHP 및 HTLP) 에 대한 자세한 실험 매개 변수는 위의 그림 (b) 에 표시되어 있습니다..
결론
위의 연구는 이러한 과제를 극복하고 다이아몬드/보리 복합재료의 열 전달 성능을 향상시키는 메커니즘을 밝혀내는 것을 목표로합니다.
1새로운 통합 전략은 LTHP 시너링 프로세스와 초 얇은 인터페이스 수정을 결합하기 위해 개발되었습니다.산출 된 다이아몬드 / 구리 복합체는 763W/mK의 높은 k 값을 달성하고 10ppm/K 이하의 CTE 값을 달성합니다.동시에, 더 높은 k 값은 더 낮은 다이아몬드 부피 비율 (45%, 전통적인 분말 금속 공학 공정에서 50%-70%에 비해) 에서 얻을 수 있습니다.이것은 다이아몬드 필러의 함량을 줄임으로써 비용을 크게 줄일 수 있다는 것을 의미합니다..
2제안된 전략에 의해, 미세한 인터페이스 구조는 다이아몬드 / TiC / CuTi2 / Cu 층 구조로 특징이며, 이는 ~ 100nm로 전환 간층 두께를 크게 감소시킵니다.이전에는 수백 나노미터 또는 몇 마이크로미터보다 훨씬 작았습니다.그러나 준비 과정에서 열 스트레스 손상의 감소로 인해 인터페이스 결합 강도는 여전히 코발렌트 결합 수준으로 향상됩니다.그리고 인터페이스 결합 에너지는 3입니다0.661J/m2
3극히 얇은 두께 때문에, 신중하게 만든 다이아몬드 / 구리 인터페이스 전환 샌드위치는 낮은 열 저항을 가지고 있습니다. 동시에,MD 및 Ab-initio 시뮬레이션 결과는 다이아몬드 / 티타늄 탄화물 인터페이스가 좋은 폰온 특성 일치 및 우수한 열 전달 능력을 가지고 있음을 보여줍니다 (G> 800MW / m2K)따라서 두 가지 가능한 열 전달 병목은 다이아몬드 / 구리 인터페이스에서 더 이상 제한 요소가 아닙니다.
4인터페이스 결합 강도는 코발렌트 결합 수준으로 효과적으로 향상됩니다. 그러나 인터페이스 열 전달 용량 (G= 93.5MW/m2K) 은 영향을받지 않았습니다.이 두 가지 주요 요인 사이의 탁월한 균형을 이루는분석 결과 다이아몬드/보프 복합재료의 뛰어난 열전도성은 이 두 가지 핵심 요소의 동시에 개선이 원인이라는 것을 보여준다.
