Как использовать порошковую металлургию для получения высокопроводящих медных / алмазных композиционных материалов?

 

Дата выпуска：[2024/1/19]
 

Радиаторы на основе металлов разрабатываются десятилетиями в области электронной упаковки и аэрокосмической промышленности. По мере того, как плотность мощности устройства продолжает расти, предъявляются более высокие требования к тепловой проводимости электронных упаковочных материалов. Сочетая композиционные материалы с высокой теплопроводностью (2200 Вт / (m • K) и низким коэффициентом теплового расширения (8,6 ± 1) × алмаз (10 - 7 / K) с металлами, такими как медь и алюминий, они могут быть интегрированы в композиты « металл + алмаз» с высокой теплопроводностью, регулируемым коэффициентом теплового расширения, отличными механическими и технологическими свойствами для удовлетворения строгих требований к различным электронным упаковкам. Он считается четвертым поколением электронных упаковочных материалов.
В чем преимущества алмазных / медных композитов?
В различных металлических материалах медь имеет более высокую теплопроводность (385 - 400 Вт / (m • K) и относительно низкий коэффициент теплового расширения (17) × 10 - 6 / K) по сравнению с другими металлами, такими как алюминий, который может соответствовать полупроводникам с добавлением небольшого количества алмазного усилителя и легко получить более высокую теплопроводность. Он не только отвечает строгим требованиям современной электронной упаковки, но и обладает хорошей термостойкостью, коррозионной стойкостью и химической стабильностью, может в большей степени соответствовать требованиям экстремальных условий использования, таких как ядерная энергетика, кислотно - щелочная и сухая, влажная и холодная окружающая среда.
Как подготовиться?
Из - за высокой энергии и плохой смачиваемости интерфейса между алмазом и медью, что приводит к большому тепловому сопротивлению интерфейса, препятствует улучшению теплопроводности композитов. Таким образом, в практическом применении, чтобы получить отличные комплексные свойства материала, в дополнение к предварительной металлизации поверхности алмаза или легированию медной матрицы, процесс подготовки также должен учитывать сочетание интерфейса между алмазом и медной матрицей и дисперсию алмаза в медной матрице и многие другие факторы.
В настоящее время существует много способов приготовления алмазных / медных композиционных материалов, таких как порошковая металлургия, химическое осаждение, механическое сплавление, струйное осаждение, литье и т. Д. Среди них порошковая металлургия из - за простой технологии подготовки, отличные свойства композиционных материалов, стала одним из широко используемых методов подготовки. Этот метод позволяет равномерно смешивать медный порошок и алмазные частицы с помощью шаровой мельницы, а затем спекать, чтобы получить композиционный материал с однородной микроструктурой. Спекание как ключевое звено порошковой металлургии связано с качеством конечного продукта. В настоящее время широко используемые процессы спекания медных / алмазных композитов включают термобарическое спекание, высокотемпературное спекание и плазменное спекание при разряде.
01. Горячое спекание
Термическое спекание является методом диффузионной сварки. В качестве традиционного метода приготовления композитов основной процесс состоит в том, чтобы равномерно смешивать армированный материал с медным порошком, помещать его в форму определенной формы, нагревать в атмосфере, вакууме или защитной атмосфере и оказывать давление в одноосном направлении, чтобы процесс формования и спекания осуществлялся одновременно. Поскольку порошок спекается под давлением, порошок имеет хорошую текучесть, плотность материала высока, остаточные газы из порошка могут быть выведены, что создает стабильный и прочный интерфейс между алмазом и медью и повышает прочность соединения и термофизические свойства композита.
После предварительной металлизации алмаза Чжан и другие медные / алмазные композиты с теплопроводностью до 721Вт / (m •K) были подготовлены методом термокомпрессионного спекания.
Преимущества: Соотношение алмаза и медного порошка может быть свободно отрегулировано в соответствии с фактическими потребностями, как традиционный метод композитной подготовки, более зрелый процесс, простые условия подготовки,
Недостатки: Этот метод опирается на управление параметрами спекания и добавление активных элементов для оптимизации интерфейса соединения, но при этом ограничен устройством и пресс - формой. Он также подвергается осевому одностороннему давлению, что приводит к меньшим размерам материала и более странным формам.
02. Сверхтемпературное спекание при высоком давлении
Механизм высокотемпературного метода сверхвысокого давления аналогичен методу спекания при тепловом давлении, за исключением того, что давление относительно велико и обычно составляет 1 - 10 GPA. Используя более высокую температуру и давление, можно быстро спечь и сформировать смешанный порошок за короткое время.
Для достижения высокого давления обычно используется шестиугольный верхний пресс сверхвысокого давления. В кубических полостях высокого давления композит высокой плотности может быть получен путем одновременного давления на шесть поверхностей, а порошок в полости одновременно подвергается силе со всех шести поверхностей.
Yoshida et al. успешно изготовили композиционные материалы из алмазов / меди с теплопроводностью 742Вт / (m •K) при высоких температурах и давлении 1150 - 1200°C и 4.5GPA. Среди них размер алмазных частиц составляет 90 - 110 мкм, а доля объема - 70%.
Преимущества: высокая плотность, короткое время подготовки, высокая эффективность. При более высокой доле объема алмаза прямое соединение между высокотемпературными и высоковольтными алмазами может привести к сверхвысокой теплопроводности.
Недостатки: для этого требуется специальное оборудование и высокие условия, которые являются дорогостоящими и не могут полностью решить проблему трудного соединения алмаза и меди.
03. Искровое плазменное спекание
Спекание искровой плазмы (SPS) - это процесс, который оказывает высокоэнергетический импульсный ток на порошок и оказывает определенное давление, чтобы стимулировать плазму между частицами. Столкновение поверхности контакта между высокоэнергетическими частицами и частицами, возникающими в результате разряда, активирует поверхность частицы и обеспечивает сверхбыстрое уплотнение спекания.
После предварительной обработки хромированием алмаза, при температуре спекания 800 - 1000°C, давлении спекания 30MPA, скорости нагрева 100°C / min и времени изоляции 5min, был подготовлен алмазный / медный композит с теплопроводностью 503,9W / (m •K).
Преимущества: во время спекания SPS между частицами порошка существует положительное взаимодействие, которое требует более низкой температуры спекания (обычно 800 - 950 °C), более низкого давления (50 - 80 МПа), очень короткого времени и экономии энергии.
Недостатки: процесс спекания трудно точно контролировать, а контроль состава и толщины интерфейса также имеет определенные трудности. Изготовленные композиты имеют несколько более низкую плотность и не могут быть изготовлены сложные детали.
Резюме
Алмазные / медные композиты не только обладают высокой теплопроводностью (обычно до 600 Вт / (m • K)), но и имеют коэффициент расширения, соответствующий электронному полупроводниковому упаковочному материалу. Порошковая металлургия из - за ее простой технологии подготовки, отличные свойства композитов, стала одним из широко используемых методов подготовки. Однако его применение ограничено неспособностью полностью решить проблему теплового сопротивления интерфейса между алмазом и медью, а также сложностью подготовки деталей сложной формы. В будущем исследования композитов на основе меди с высокой теплопроводностью должны быть сосредоточены на улучшении соединения интерфейса и теплопроводности между теплопроводными армированными материалами и матрицами (например, преметаллизация алмазов и сплав на основе меди) для оптимизации общей теплопроводности композитов и достижения экономически эффективного применения высокопроводных композитов на основе меди.