どのように粉末冶金法を利用して、高熱伝導性の銅/ダイヤモンド複合材料を製造しますか？

 

発売日：[2024/1/19]
 

電子パッケージや航空宇宙などの分野では、金属系放熱装置が数十年にわたって発展してきた。デバイスの電力密度が上昇するにつれて、電子パッケージ材料の熱伝導率に対してより高い要求を提出した。高い熱伝導率（2 200 W/（m•K））、低い熱膨張係数（（8.6±1）を有する×10-7/K）のダイヤモンドと銅、アルミニウムなどの金属を複合し、熱伝導率が高く、熱膨張係数が調整可能で、同時に高い優れた力学性能と加工性能を兼ね備えた「金属+ダイヤモンド」複合材料を集積することができ、それによって異なる電子パッケージの厳しい要求を満たし、第4世代電子パッケージ材料と見なされる。
ダイヤモンド/銅複合材料の利点は何ですか。
各種類の金属材料の中で、銅はアルミニウムなどの他の金属に比べて熱伝導率が高く（385～400 W/（m•K））、熱膨張係数も相対的に低い（17×10-6/K）、より少量のダイヤモンド補強体を添加するだけで、熱膨張係数は半導体と整合でき、さらに高い熱伝導率を得やすく、現在の電子パッケージの厳しい要求を満たすことができるだけでなく、良好な耐熱、耐食性と化学安定性を持ち、より広い範囲で高温、腐食環境などの極端な兵役条件、例えば原子力工学、酸塩基と乾湿冷熱が交互になる大気環境などを満たすことができる。
どのように調製しますか。
ダイヤモンドと銅の間には高い界面エネルギーが存在し、濡れ性が悪く、発生する界面熱抵抗が大きく、複合材料の熱伝導率の向上を阻害する。そのため、実際に使用する際には、材料を*良好な総合性能を得るために、あらかじめダイヤモンド表面を金属化処理したり、銅基体を合金化したりする必要があるほか、その製造過程もダイヤモンドと銅基体の界面結合問題や銅基体におけるダイヤモンドの分散性問題などの多方面の要素を総合的に考慮する必要がある。
現在、ダイヤモンド/銅複合材料を製造する方法は多く、例えば粉末冶金法、化学堆積法、機械合金化法、スプレー堆積法、鋳造法などがある。その中で、粉末冶金はその製造技術が簡単で、製造された複合材料の性能が優れているため、すでにその*常用の製造方法の一つとなっている。この方法では、Cu粉とダイヤモンド粒子をボールミルなどで均一に混合し、焼結成形することでミクロ組織の均一な複合材料を製造することができる。粉末冶金*の重要な工程として、焼結成形は完成品の*最終品質に関係している。現在、Cu/ダイヤモンド複合材料の製造に応用されている一般的な焼結技術は、熱圧焼結、高温高圧焼結、放電プラズマ法焼結である。
01、ホットプレス焼結
熱圧焼結法は、拡散溶接成形の方法であり、伝統的に複合材料を製造する方法として、その主な技術は：補強体と銅粉を均一に混合し、特定の形状金型内に入れ、大気、真空または保護雰囲気中で、加熱すると同時に一軸方向に圧力を加え、成形と焼結を同時に行う。粉体は圧力がある場合に焼結するため、粉体の流動性が良く、材料の密度が高く、粉末中の残留ガスを排出することができ、それによってダイヤモンドと銅の間に安定で強固な界面を形成させ、複合材料の接着強度と熱物理性能を高めることができる。
Zhangらはダイヤモンドを予備金属化した後、熱圧焼結法を用いて721 W/（m・K）までの熱伝導率を有する銅/ダイヤモンド複合材料を作製した。
利点：ダイヤモンドと銅粉の比率は実際の需要に応じて自由に調整でき、かつ伝統的な複合材料としての製造方法の技術が比較的に成熟し、製造条件が簡単で、
欠点：この方法は焼結パラメータの制御及び活性元素の添加に依存して界面結合を最適化し、同時に設備と金型に拘束され、かつ軸方向一方向加圧であり、得られた材料のサイズが小さく、形状が比較的に単一である。
02、超高温高圧焼結
超高圧高温法は機構的にはホットプレス焼結法と似ているが、圧力が大きく、一般的には1〜10 GPaの圧力である。より高い温度と圧力により、混合粉体を短時間で急速に焼結成形する。高圧力を実現するために、一般的に採用されている設備は6面トップ超高圧プレスである。立方の高圧チャンバにおいて、6つの面に同時に圧力を加えることにより、チャンバ内の粉体は同時に6つの面の力を受け、密度の高い複合材料を得ることができる。
Yoshidaらは1150〜1200℃、4.5 GPaの高温高圧条件下で742 W／（m・K）の熱伝導率を有するダイヤモンド／銅複合材料の製造に成功した。ただし、ダイヤモンド粒径は90〜110μm、体積率は70%である。
利点：密度が高く、製造にかかる時間が短く、効率が高く、ダイヤモンドの体積率が高い場合、高温高圧ダイヤモンド間が直接結合する現象は超高い熱伝導率をもたらすことができる。
欠点：実現するには特殊な設備と高い条件が必要で、コストが高く、ダイヤモンドと銅の結合が困難な問題を完全に解決することはできない。
03、放電プラズマ焼結
放電プラズマ焼結（SPS）は粉体に高エネルギーのパルス電流を印加し、一定の圧力を印加し、粒子間に放電励起プラズマを発生させ、放電により発生した高エネルギー粒子が粒子間の接触面に衝突し、粒子表面を活性化させ、超高速緻密化焼結を実現することができる。
淦作騰などはダイヤモンドにクロムめっき前処理を行った後、焼結温度が800〜1000℃、焼結圧力が30 MPa、昇温速度が100℃/min、保温時間が5 minの条件下で、熱伝導率が503.9 W/（m•K）のダイヤモンド/銅複合材料を製造した。
利点：SPS焼結の過程で、粉体粒子間に能動力があり、必要な焼結温度が低く（通常800〜950℃）、圧力が小さく（50〜80 MPa）、時間が極めて短く、エネルギーを節約した。
欠点：焼結過程は正確な制御が難しく、界面成分、厚さの*制御には一定の難度が存在し、調製した複合材料は密度がやや低く、しかも複雑なワークを調製することができない。
小結
ダイヤモンド／銅複合材料は、高い熱伝導率（多くの場合、600 W／（m・K）まで）を有するだけでなく、電子半導体パッケージ材料に適合する膨張係数を有する。粉末冶金はその製造技術が簡単で、製造された複合材料の性能が優れているため、すでにその*一般的な製造方法の一つとなっている。しかし、ダイヤモンドと銅との界面熱抵抗の問題を完全に解決することはできず、複雑な形状のワークを製造することが困難であるため、その応用を制限している。将来の高熱伝導性銅基複合材料の研究は、熱伝導強化体と基体間の界面結合と熱伝導性能（ダイヤモンドの予備金属化及び銅基合金化など）を重点的に改善し、それによって複合材料の総合熱伝導性能を最適化し、経済的で高効率な高熱伝導性銅基複合材料の応用を実現しなければならない。