Wie verwendet man die pulvermetallurgische Methode, um Kupfer/Diamant Verbundwerkstoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit herzustellen?

Datum:[2024/1/19]

Metallbasierte Wärmeableitungsgeräte werden seit Jahrzehnten in den Bereichen elektronische Verpackung und Luft- und Raumfahrt entwickelt. Mit der kontinuierlichen Erhöhung der Geräteleistungsdichte wurden höhere Anforderungen an die Wärmeleitfähigkeit elektronischer Verpackungsmaterialien gestellt. Durch die Kombination von hoher Wärmeleitfähigkeit (2200 W/(m • K)) und niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten (8,6 ± 1) × Diamant (10-7/K) Verbundwerkstoff mit Metallen wie Kupfer und Aluminium kann in einen Verbundwerkstoff "Metall+Diamant" mit hoher Wärmeleitfähigkeit, einstellbarem Wärmeausdehnungskoeffizienten und ausgezeichneten mechanischen und Verarbeitungseigenschaften integriert werden, die die strengen Anforderungen verschiedener elektronischer Verpackungen erfüllen. Es gilt als die vierte Generation elektronischer Verpackungsmaterialien.
Was sind die Vorteile von Diamant/Kupfer Verbundwerkstoffen?
Unter verschiedenen Metallmaterialien hat Kupfer eine höhere Wärmeleitfähigkeit (385-400 W/(m • K)) und einen relativ niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten (17) im Vergleich zu anderen Metallen wie Aluminium × 10-6/K), mit der Zugabe einer kleineren Menge Diamantverstärkung kann der Wärmeausdehnungskoeffizient mit dem Halbleiter übereinstimmen, und es ist leicht, eine höhere Wärmeleitfähigkeit zu erhalten. Es erfüllt nicht nur die strengen Anforderungen an elektronische Verpackungen heute, sondern hat auch eine gute Hitzebeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und chemische Stabilität, die die Anforderungen extremer Betriebsbedingungen wie hohe Temperaturen und korrosive Umgebungen in größerem Umfang erfüllen kann, wie Kernenergietechnik, Säure-Basen und trockene nasse kalte heiße wechselnde atmosphärische Umgebungen.
Wie bereitet man es vor?
Aufgrund der hohen Grenzflächenenergie und der schlechten Benetzbarkeit zwischen Diamant und Kupfer ist der resultierende Grenzflächenwärmelwiderstand groß, der die Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials behindert. Daher muss der Vorbereitungsprozess in praktischen Anwendungen, um eine hervorragende umfassende Leistung des Materials zu erreichen, neben der Vormetallisierung der Diamantoberfläche oder der Legierung der Kupfermatrix, auch verschiedene Faktoren umfassend berücksichtigen, wie die Grenzflächenverbindung zwischen Diamant und Kupfermatrix sowie die Dispersion von Diamant in der Kupfermatrix.
Derzeit gibt es viele Methoden zur Herstellung von Diamant-/Kupferverbundwerkstoffen, wie Pulvermetallurgie, chemische Abscheidung, mechanische Legierung, Sprühabscheidung, Gießen usw. Unter ihnen ist die Pulvermetallurgie aufgrund ihres einfachen Aufbereitungsprozesses und der hervorragenden Leistung von Verbundwerkstoffen zu einer der allgemein verwendeten Aufbereitungsmethoden geworden. Diese Methode kann Cu-Pulver und Diamantpartikel gleichmäßig durch Kugelfräsen und dann Sintern mischen, um Verbundwerkstoffe mit einheitlicher Mikrostruktur vorzubereiten. Als entscheidender Schritt in der Pulvermetallurgie hängt das Sintern mit der Endqualität des Endprodukts zusammen. Die gängigsten Sinterverfahren zur Herstellung von Cu/Diamant-Verbundwerkstoffen umfassen derzeit Heißpress-Sintern, Hochtemperatur- und Hochdrucksintern sowie Entladungsplasmasintern.
01. Heißpresssintern
Das Heißpressen Sinterverfahren ist ein Diffusionsschweißverfahren, das Formverfahren ist. Als traditionelle Methode zur Herstellung von Verbundwerkstoffen besteht sein Hauptprozess darin, die Verstärkung und das Kupferpulver gleichmäßig zu mischen, sie in eine spezifische Form zu legen, sie in der Atmosphäre, im Vakuum oder in der Schutzatmosphäre zu erhitzen und Druck in einer einachsigen Richtung auszuüben, um den Umformungs- und Sinterprozess gleichzeitig ablaufen zu lassen. Aufgrund der Tatsache, dass das Pulver unter Druck gesintert wird, ist die Fließfähigkeit des Pulvers gut, die Dichte des Materials ist hoch und Restgase im Pulver können abgeleitet werden, wodurch eine stabile und feste Schnittstelle zwischen Diamant und Kupfer gebildet wird, wodurch die Haftfestigkeit und die thermischen physikalischen Eigenschaften des Verbundmaterials verbessert werden.
Zhang et al. präparierte Kupfer/Diamant-Verbundwerkstoffe mit einer Wärmeleitfähigkeit von bis zu 721 W/(m • K) im Heißpress-Sinterverfahren nach Vormetallisierung des Diamanten.
Vorteile: Das Verhältnis von Diamant zu Kupferpulver kann frei nach tatsächlichen Bedürfnissen eingestellt werden, und als traditionelle Vorbereitungsmethode für Verbundwerkstoffe ist der Prozess reifer und die Vorbereitungsbedingungen sind einfach,
Nachteile: Diese Methode basiert auf der Steuerung der Sinterparameter und der Zugabe aktiver Elemente zur Optimierung der Schnittstellenverbindung, während sie durch Geräte und Formen eingeschränkt wird. Es wird auch axialem einseitigen Druck ausgesetzt, was zu kleineren Materialgrößen und einer einzigartigen Form führt.
02. Ultrahochtemperatur- und Hochdrucksintern
Der Mechanismus der Ultrahochdruck- und Hochtemperaturmethode ist ähnlich dem des Heißpress-Sinterverfahrens, mit der Ausnahme, dass der angewandte Druck relativ groß ist, normalerweise 1-10 GPa. Durch die Verwendung höherer Temperatur und Druck kann das Mischpulver schnell gesintert und in kurzer Zeit gebildet werden.
Um hohen Druck zu erreichen, ist die übliche Ausrüstung eine sechseckige Spitzenultrahochdruckpresse. In einem kubischen Hochdruck-Hohlraum können Verbundwerkstoffe hoher Dichte erhalten werden, indem gleichzeitig Druck auf sechs Flächen ausgeübt wird, und das Pulver im Hohlraum wird Kräften von allen sechs Seiten gleichzeitig ausgesetzt.
Yoshida et al. hat erfolgreich Diamant/Kupfer-Verbundwerkstoffe mit einer Wärmeleitfähigkeit von 742 W/(m • K) unter Hochtemperatur- und Druckbedingungen von 1150-1200 ℃ und 4,5 GPa hergestellt. Unter ihnen beträgt die Diamantpartikelgröße 90-110 μ m. Der Volumenanteil beträgt 70%.
Vorteile: Hohe Dichte, kurze Vorbereitungszeit, hohe Effizienz. Im Falle eines hohen Volumenanteils von Diamanten kann das Phänomen der direkten Bindung zwischen Hochtemperatur- und Hochdruckdiamanten eine ultrahohe Wärmeleitfähigkeit bringen.
Nachteile: Spezielle Ausrüstung und hohe Bedingungen sind erforderlich, um dies zu erreichen, was teuer ist und das Problem der schwierigen Bindung zwischen Diamant und Kupfer nicht vollständig lösen kann.
03. Spark Plasma Sintern
Spark Plasma Sintern (SPS) ist das Verfahren, bei dem hochenergetischer Pulsstrom auf ein Pulver aufgebracht und ein bestimmter Druck angewendet wird, um Plasma zwischen Partikeln anzuregen. Die durch die Entladung erzeugten hochenergetischen Partikel kollidieren mit der Kontaktfläche zwischen Partikeln, die die Partikeloberfläche aktivieren und ultraschnelles Verdichtungsintern erreichen können.
Gan Zuoteng et al. bereitete Diamant/Kupfer-Verbundwerkstoffe mit einer Wärmeleitfähigkeit von 503.9 W/(m • K) unter den Bedingungen der Sintertemperatur von 800-1000 ℃, Sinterdruck von 30 MPa, Heizrate von 100 ℃/min und Haltezeit von 5 Minuten nach der Verchromung Vorbehandlung von Diamant vor.
Vorteile: Während des SPS Sinterprozesses gibt es eine aktive Wechselwirkungskraft zwischen den Pulverpartikeln, die eine niedrige Sintertemperatur (normalerweise 800-950 ℃), niedrigen Druck (50-80 MPa), extrem kurze Zeit erfordert und Energie spart.
Nachteile: Der Sinterprozess ist schwer genau zu steuern, und es gibt bestimmte Schwierigkeiten bei der Steuerung der Grenzflächenzusammensetzung und -dicke. Die Dichte des vorbereiteten Verbundwerkstoffs ist leicht gering, komplexe Werkstücke können nicht präpariert werden.
Zusammenfassung
Diamant/Kupfer-Verbundwerkstoffe haben nicht nur eine hohe Wärmeleitfähigkeit (oft bis 600 W/(m • K)), sondern haben auch einen Ausdehnungskoeffizienten, der zu elektronischen Halbleiterverpackungsmaterialien passt. Die Pulvermetallurgie hat sich aufgrund ihres einfachen Aufbereitungsprozesses und der hervorragenden Leistung von Verbundwerkstoffen zu einer der am häufigsten verwendeten Aufbereitungsmethoden entwickelt. Aufgrund der Unfähigkeit, das Grenzflächenwiderstandsproblem zwischen Diamant und Kupfer vollständig zu lösen, und der Schwierigkeit, komplexe geformte Werkstücke vorzubereiten, ist seine Anwendung jedoch begrenzt. In Zukunft sollte sich die Forschung an kupferbasierten Verbundwerkstoffen mit hoher Wärmeleitfähigkeit auf die Verbesserung der Grenzflächenbindung und der Wärmeleitfähigkeit zwischen der Wärmeleitfähigkeitsverstärkung und der Matrix konzentrieren (z. B. Vormetallisierung von Diamant- und Kupferlegierungen), Um die umfassende Wärmeleitfähigkeit der Verbundwerkstoffe zu optimieren und eine wirtschaftliche und effiziente Anwendung von kupferbasierten Verbundwerkstoffen mit hoher Wärmeleitfähigkeit zu erreichen.