Vật liệu tổng hợp kim cương/thùng đồng (Cu) cho khả năng dẫn nhiệt cao và các ứng dụng hiệu suất cơ học nâng cao
April 27, 2025
Kể từ những năm 1980, mức độ tích hợp mạch trong các thành phần điện tử đã tăng với tốc độ 1,5 lần hoặc thậm chí nhanh hơn mỗi năm.Khi mức độ tích hợp của mạch tích hợp tăng lên, dòng điện tăng tương ứng, tạo ra nhiệt nhiều hơn trong quá trình hoạt động.nó có thể gây tổn thương nhiệt cho các thành phần điện tử và giảm tuổi thọ của chúngDo đó, để đáp ứng nhu cầu phân tán nhiệt ngày càng tăng của các thành phần điện tử, các vật liệu đóng gói điện tử có độ dẫn nhiệt cao đã liên tục được nghiên cứu và tối ưu hóa.
Các kim loại tinh khiết như Cu, Ag và Al có độ dẫn nhiệt cao nhưng tốc độ mở rộng nhiệt quá cao.để đảm bảo hoạt động bình thường của các thành phần điện tử và kéo dài tuổi thọ của chúng, có nhu cầu cấp bách để phát triển các vật liệu đóng gói mới có độ dẫn nhiệt cao và hệ số mở rộng nhiệt phù hợp.với độ cứng Mohs là 10, và cũng là một trong những vật liệu tự nhiên có độ dẫn nhiệt cao nhất, đạt 200 đến 2200 W/(m·K).Kim cương/bốm hợp chất ✓ sử dụng đồng như là ma trận và kim cương như là gia cố ✓ được coi là các vật liệu đóng gói điện tử dẫn nhiệt cao phổ biến trong tương lai.
Diamond/Copper Composite là một vật liệu tổng hợp hiệu suất cao bao gồm kim cương
Các phương pháp chuẩn bị phổ biến cho kim cương / đồng tổng hợp bao gồm: kim loại bột, nhiệt độ cao và áp suất cao, xâm nhập nóng chảy, nghiền plasma tia lửa, phun lạnh và những phương pháp khác.
(1) Công nghiệp luyện kim bột
trộn các hạt kim cương vớiTrong quá trình trộn, một lượng nhất định chất kết dính và chất tạo thành có thể được thêm vào.Sintering được thực hiện để có được kim cương/Cu tổng hợp dẫn nhiệt caoKim loại bột là một quá trình đơn giản với chi phí tương đối thấp và là một kỹ thuật ngâm tương đối trưởng thành. Tuy nhiên, bột kết quả có mật độ thấp và cấu trúc vi mô nội bộ không đồng đều.Ngoài ra, các mẫu được chuẩn bị có xu hướng có kích thước hạn chế và hình dạng đơn giản, làm cho việc đạt được trực tiếp vật liệu dẫn nhiệt cao hơn là khó khăn.
(2) Nhiệt độ và áp suất cao
(3) Sự thâm nhập chảy
(4) Tấm sơn plasma (SPS)
(5) Xịt lạnh
Xả phun lạnh liên quan đến việc đặt hai bột hỗn hợp vào một buồng lò, nơi sau khi nóng chảy kim loại và phân tử kim loại lỏng,Các hạt được phun và lắng đọng trên tấm nền để có được vật liệu tổng hợp.
Các chiến lược được sử dụng để giải quyết các vấn đề giao diện giữa kim cương và ma trận Cu
Đối với sản xuất vật liệu tổng hợp, khả năng ướt lẫn nhau giữa các thành phần là điều kiện tiên quyết cần thiết cho sự kết hợp thành công,và nó đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định cấu trúc giao diện và trạng thái liên kết. Sự ẩm ướt kém giữa kim cương và đồng dẫn đến sức đề kháng nhiệt giao diện cao. Do đó, nhiều phương pháp kỹ thuật đã được khám phá để sửa đổi giao diện kim cương-Cu,là rất quan trọng để cải thiện hiệu suất của composites.
Hiện tại, hai chiến lược chính được sử dụng để giải quyết các vấn đề giao diện giữa kim cương và ma trận Cu:
Thay đổi bề mặt kim cương
Lớp phủ bề mặt của hạt kim cương với các yếu tố hoạt động như Mo, Ti, W hoặc Cr có thể cải thiện đáng kể các đặc điểm giao diện.các nguyên tố này phản ứng với carbon trên bề mặt kim cương để tạo thành một lớp chuyển tiếp carbideNgoài ra, các lớp phủ như vậy có thể bảo vệ cấu trúc kim cương khỏi sự phân hủy ở nhiệt độ cao.
Hợp kim của ma trận đồng
Trước khi chế biến hợp chất, ma trận đồng có thể được hợp kim trước với các yếu tố hoạt động.Việc giới thiệu các yếu tố hoạt tính vào ma trận đồng làm giảm góc tiếp xúc giữa kim cương và đồng và thúc đẩy sự hình thành một lớp carbide tại giao diện kim cương / CuCác chất carbide này, có thể phân giải một phần trong ma trận đồng, giúp lấp đầy khoảng trống giao diện và cải thiện đáng kể hiệu suất nhiệt.
Khung cảnh thị trường và xu hướng phát triển
Cấu trúc thị trường
Lãnh đạo quốc tế:
Các thị trường cao cấp bị chi phối bởi các đối thủ quốc tế như AMETEK (Mỹ) và Sumitomo Electric (Nhật Bản), chủ yếu phục vụ các lĩnh vực quân sự và hàng không vũ trụ.Heraeus (Đức) và Toho Titanium (Nhật Bản) tập trung vào các nền quản lý nhiệt cho thiết bị điện tử tiêu dùng.
Tiến bộ sản xuất trong nước:
Các nhà sản xuất Trung Quốc (ví dụ: Viện Nghiên cứu kim loại, Học viện Khoa học Trung Quốc;Hunan Dingli Technology) đã đạt được sản xuất hàng loạt chất nền tổng hợp kim cương / Cu 6 inch thông qua các phương pháp luyện kim bộtĐến năm 2023, các công ty Trung Quốc chiếm 25% thị phần trong nước.
Kích thước thị trường
Theo dự báo của QY Research, thị trường kim cương/Cu tổng hợp toàn cầu dự kiến sẽ đạt 1,2 tỷ USD vào năm 2025, với tốc độ tăng trưởng hàng năm tổng hợp (CAGR) là 18%.Khu vực châu Á - Thái Bình Dương dự kiến sẽ chiếm hơn 50% nhu cầu toàn cầu.
Trong lĩnh vực truyền thông 5G, nhu cầu về các mô-đun quản lý nhiệt trạm cơ sở dự kiến sẽ tăng 300% tiêu thụ vật liệu tổng hợp vào năm 2024.
Xu hướng trong tương lai
Những bước đột phá trong công nghệ kim cương tổng hợp:
Chi phí kim cương lắng đọng hơi hóa học (CVD) dự kiến sẽ giảm xuống một phần mười mức hiện tại trong thập kỷ tới.
Ứng dụng tích hợp khác nhau:
Phát triển các phim nhiệt siêu mỏng, linh hoạt bằng cách kết hợp kim cương với các vật liệu hai chiều như graphene và boron nitride.
Quản lý nhiệt thông minh:
Tích hợp các cảm biến nhiệt độ vào chất nền kim cương / Cu để cho phép giám sát phân phối nhiệt thời gian thực và điều chỉnh nhiệt động.
Thách thức và hướng nghiên cứu trong tương lai
Các nút thắt kỹ thuật
Khó khăn trong việc đồng thời đạt được sức đề kháng nhiệt giao diện thấp và năng suất sản xuất hàng loạt cao, hạn chế sự thâm nhập của kim cương / composites Cu vào thị trường điện tử tiêu dùng.
Các vấn đề liên tục với oxy hóa giao diện và khuếch tán nguyên tố trong thời gian phục vụ nhiệt độ cao lâu dài.
Các hướng nghiên cứu
Thiết kế giao diện sinh học:
Lấy cảm hứng từ các cấu trúc nhiều lớp trong tự nhiên (ví dụ: nacre), các chiến lược phân phối gia cố đa quy mô đang được khám phá để tối ưu hóa hiệu suất nối nhiệt cơ học.
Các quy trình sản xuất xanh:
Phát triển các quy trình thân thiện với môi trường như điện mạ không chứa xyanua và ngâm nhiệt độ thấp để giảm phát thải carbon.
Các hợp chất nhiệt độ cực cao:
Nghiên cứu tiềm năng ứng dụng của kim cương/Cu hợp chất trong môi trường vượt quá 1000 °C.
Kết luận
Nhờ tính dẫn nhiệt vô song và những lợi thế cơ học toàn diện,kim cương/Cu composites đang nổi lên như là các vật liệu chính cho các thiết bị điện tử mật độ công suất cao và các ứng dụng trong điều kiện khắc nghiệtMặc dù phải đối mặt với những thách thức trong tối ưu hóa giao diện và giảm chi phí,sự tiến bộ liên tục trong kỹ thuật tổng hợp và sự trưởng thành dần dần của chuỗi công nghiệp đang mở đường cho việc áp dụng rộng rãi hơn.
Trong tương lai, thông qua các đổi mới liên ngành kết hợp khoa học vật liệu, công nghệ nano,và trí thông minh nhân tạo, kim cương/Cu composites dự kiến sẽ thúc đẩy các thiết bị điện tử hướng tới hiệu suất cao hơnNgoài ra, các vật liệu này sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc tăng hiệu quả năng lượng toàn cầu và hỗ trợ các sáng kiến trung lập carbon.
Các khuyến nghị sản phẩm liên quan khác
Đồng Substrate Single Crystal Cu Wafer 5x5x0.5/lmm 10x10x0.5/1mm 20x20x0.5/1mm