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

Datum:[2024/1/19]

Metallbasierte W?rmeableitungsger?te werden seit Jahrzehnten in den Bereichen elektronische Verpackung und Luft- und Raumfahrt entwickelt. Mit der kontinuierlichen Erh?hung der Ger?teleistungsdichte wurden h?here Anforderungen an die W?rmeleitf?higkeit elektronischer Verpackungsmaterialien gestellt. Durch die Kombination von hoher W?rmeleitf?higkeit (2200 W/(m ? K)) und niedrigem W?rmeausdehnungskoeffizienten (8,6 ± 1) × Diamant (10-7/K) Verbundwerkstoff mit Metallen wie Kupfer und Aluminium kann in einen Verbundwerkstoff "Metall+Diamant" mit hoher W?rmeleitf?higkeit, einstellbarem W?rmeausdehnungskoeffizienten 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 h?here W?rmeleitf?higkeit (385-400 W/(m ? K)) und einen relativ niedrigeren W?rmeausdehnungskoeffizienten (17) im Vergleich zu anderen Metallen wie Aluminium × 10-6/K), mit der Zugabe einer kleineren Menge Diamantverst?rkung kann der W?rmeausdehnungskoeffizient mit dem Halbleiter übereinstimmen, und es ist leicht, eine h?here W?rmeleitf?higkeit zu erhalten. Es erfüllt nicht nur die strengen Anforderungen an elektronische Verpackungen heute, sondern hat auch eine gute Hitzebest?ndigkeit, Korrosionsbest?ndigkeit und chemische Stabilit?t, die die Anforderungen extremer Betriebsbedingungen wie hohe Temperaturen und korrosive Umgebungen in gr??erem Umfang erfüllen kann, wie Kernenergietechnik, S?ure-Basen und trockene nasse kalte hei?e wechselnde atmosph?rische Umgebungen.
Wie bereitet man es vor?
Aufgrund der hohen Grenzfl?chenenergie und der schlechten Benetzbarkeit zwischen Diamant und Kupfer ist der resultierende Grenzfl?chenw?rmelwiderstand gro?, der die Verbesserung der W?rmeleitf?higkeit des Verbundmaterials behindert. Daher muss der Vorbereitungsprozess in praktischen Anwendungen, um eine hervorragende umfassende Leistung des Materials zu erreichen, neben der Vormetallisierung der Diamantoberfl?che oder der Legierung der Kupfermatrix, auch verschiedene Faktoren umfassend berücksichtigen, wie die Grenzfl?chenverbindung 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, Gie?en 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 gleichm??ig durch Kugelfr?sen und dann Sintern mischen, um Verbundwerkstoffe mit einheitlicher Mikrostruktur vorzubereiten. Als entscheidender Schritt in der Pulvermetallurgie h?ngt das Sintern mit der Endqualit?t des Endprodukts zusammen. Die g?ngigsten Sinterverfahren zur Herstellung von Cu/Diamant-Verbundwerkstoffen umfassen derzeit Hei?press-Sintern, Hochtemperatur- und Hochdrucksintern sowie Entladungsplasmasintern.
01. Hei?presssintern
Das Hei?pressen Sinterverfahren ist ein Diffusionsschwei?verfahren, das Formverfahren ist. Als traditionelle Methode zur Herstellung von Verbundwerkstoffen besteht sein Hauptprozess darin, die Verst?rkung und das Kupferpulver gleichm??ig zu mischen, sie in eine spezifische Form zu legen, sie in der Atmosph?re, im Vakuum oder in der Schutzatmosph?re 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 Flie?f?higkeit des Pulvers gut, die Dichte des Materials ist hoch und Restgase im Pulver k?nnen 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. pr?parierte Kupfer/Diamant-Verbundwerkstoffe mit einer W?rmeleitf?higkeit von bis zu 721 W/(m ? K) im Hei?press-Sinterverfahren nach Vormetallisierung des Diamanten.
Vorteile: Das Verh?ltnis von Diamant zu Kupferpulver kann frei nach tats?chlichen 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, w?hrend sie durch Ger?te und Formen eingeschr?nkt wird. Es wird auch axialem einseitigen Druck ausgesetzt, was zu kleineren Materialgr??en und einer einzigartigen Form führt.
02. Ultrahochtemperatur- und Hochdrucksintern
Der Mechanismus der Ultrahochdruck- und Hochtemperaturmethode ist ?hnlich dem des Hei?press-Sinterverfahrens, mit der Ausnahme, dass der angewandte Druck relativ gro? ist, normalerweise 1-10 GPa. Durch die Verwendung h?herer 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 k?nnen Verbundwerkstoffe hoher Dichte erhalten werden, indem gleichzeitig Druck auf sechs Fl?chen ausgeübt wird, und das Pulver im Hohlraum wird Kr?ften von allen sechs Seiten gleichzeitig ausgesetzt.
Yoshida et al. hat erfolgreich Diamant/Kupfer-Verbundwerkstoffe mit einer W?rmeleitf?higkeit von 742 W/(m ? K) unter Hochtemperatur- und Druckbedingungen von 1150-1200 ℃ und 4,5 GPa hergestellt. Unter ihnen betr?gt die Diamantpartikelgr??e 90-110 μ m. Der Volumenanteil betr?gt 70%.
Vorteile: Hohe Dichte, kurze Vorbereitungszeit, hohe Effizienz. Im Falle eines hohen Volumenanteils von Diamanten kann das Ph?nomen der direkten Bindung zwischen Hochtemperatur- und Hochdruckdiamanten eine ultrahohe W?rmeleitf?higkeit 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 vollst?ndig l?sen 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 Kontaktfl?che zwischen Partikeln, die die Partikeloberfl?che aktivieren und ultraschnelles Verdichtungsintern erreichen k?nnen.
Gan Zuoteng et al. bereitete Diamant/Kupfer-Verbundwerkstoffe mit einer W?rmeleitf?higkeit 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: W?hrend 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 Grenzfl?chenzusammensetzung und -dicke. Die Dichte des vorbereiteten Verbundwerkstoffs ist leicht gering, komplexe Werkstücke k?nnen nicht pr?pariert werden.
Zusammenfassung
Diamant/Kupfer-Verbundwerkstoffe haben nicht nur eine hohe W?rmeleitf?higkeit (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 h?ufigsten verwendeten Aufbereitungsmethoden entwickelt. Aufgrund der Unf?higkeit, das Grenzfl?chenwiderstandsproblem zwischen Diamant und Kupfer vollst?ndig zu l?sen, und der Schwierigkeit, komplexe geformte Werkstücke vorzubereiten, ist seine Anwendung jedoch begrenzt. In Zukunft sollte sich die Forschung an kupferbasierten Verbundwerkstoffen mit hoher W?rmeleitf?higkeit auf die Verbesserung der Grenzfl?chenbindung und der W?rmeleitf?higkeit zwischen der W?rmeleitf?higkeitsverst?rkung und der Matrix konzentrieren (z. B. Vormetallisierung von Diamant- und Kupferlegierungen), Um die umfassende W?rmeleitf?higkeit der Verbundwerkstoffe zu optimieren und eine wirtschaftliche und effiziente Anwendung von kupferbasierten Verbundwerkstoffen mit hoher W?rmeleitf?higkeit zu erreichen.