डायमंड/कॉपर कम्पोजिट सामग्री, सीमाओं को तोड़ रही है!

November 14, 2024

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आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के निरंतर लघुकरण, एकीकरण और उच्च प्रदर्शन के साथ कम्प्यूटिंग, 5जी/6जी, बैटरी,और पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के बढ़ते बिजली घनत्व ने उपकरणों के भीतर गंभीर जोल हीटिंग और उच्च तापमान का कारण बना है।. इसके परिणामस्वरूप प्रदर्शन में गिरावट और उपकरण की विफलता होती है। इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों में कुशल थर्मल प्रबंधन एक महत्वपूर्ण मुद्दा बन गया है। इस समस्या को कम करने के लिए,इलेक्ट्रॉनिक घटकों में उन्नत थर्मल प्रबंधन सामग्री को एकीकृत करने से उनकी गर्मी अपव्यय क्षमता में काफी सुधार हो सकता है.

 

हीरे में उत्कृष्ट थर्मल गुण होते हैं, सभी थोक सामग्रियों के बीच उच्चतम आइसोट्रोपिक थर्मल चालकता (k = 2300 W/mK) प्रदर्शित होती है,और कमरे के तापमान पर थर्मल विस्तार का बहुत कम गुणांक (CTE = 1 ppm/K) है. Diamond particle-reinforced copper matrix (diamond/copper) composites have attracted significant attention as a new generation of thermal management materials due to their potential high k values and adjustable CTE.

हालांकि, कई प्रदर्शन पहलुओं में हीरे और तांबे के बीच उल्लेखनीय असंगतताएं हैं, जिनमें सीटीई (महानता के क्रम में महत्वपूर्ण अंतर के साथ,जैसा कि चित्र (a) में दिखाया गया है) और रासायनिक आत्मीयता (वे अमिश्र हैं और रासायनिक प्रतिक्रियाओं से नहीं गुजरते हैं)जैसा कि चित्र (ख) में दिखाया गया है।

 

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इन असंगतताओं के कारण हीरे/कूपर कम्पोजिटों में उच्च तापमान विनिर्माण या एकीकरण प्रक्रियाओं के दौरान स्वाभाविक रूप से कम बंधन शक्ति होती है।साथ ही ही हीरा/कापर इंटरफेस पर उच्च थर्मल तनावनतीजतन, हीरा/कापर कम्पोजिट इंटरफेस क्रैकिंग के लिए प्रवण होते हैं, जो थर्मल चालकता को काफी कम करता है (जब हीरा और तांबा सीधे बंधे होते हैं,उनके k मूल्य शुद्ध तांबे की तुलना में बहुत कम हो सकता है, 200 W/mK से भी कम) ।

वर्तमान में, मुख्य सुधार विधि में धातु मिश्र धातु या सतह धातुकरण के माध्यम से हीरे / हीरे इंटरफ़ेस के रासायनिक संशोधन शामिल हैं।अंतरफलक पर बनी संक्रमण इंटरलेयर अंतरफलक बंधन शक्ति को बढ़ा सकती है, और एक अपेक्षाकृत मोटी इंटरलेयर इंटरफेस क्रैकिंग का विरोध करने में अधिक फायदेमंद है।इंटरलेयर की मोटाई सैकड़ों नैनोमीटर या यहां तक कि माइक्रोमीटर के क्रम में होना चाहिएहालांकि, हीरा/तामा इंटरफेस पर संक्रमण इंटरलेयर, जैसे कार्बाइड (जैसे, TiC, ZrC, Cr3C2), कम आंतरिक थर्मल चालकता (<25 W/mK) प्रदर्शित करते हैं।हीरे या तांबे की तुलना में कई परिमाण के आदेश कमइंटरफेस हीट ट्रांसफर दक्षता में सुधार के दृष्टिकोण से, संक्रमण इंटरलेयर की मोटाई को कम करना आवश्यक है क्योंकि थर्मल प्रतिरोध मॉडल के अनुसार,इंटरफेस थर्मल कंडक्टिविटी (G_cu-डायमंड) इंटरलेयर मोटाई (d) के विपरीत आनुपातिक है.

जबकि एक अपेक्षाकृत मोटी संक्रमण इंटरलेयर हीरा/हीरा इंटरफ़ेस पर इंटरफेस बंधन शक्ति में सुधार करने में मदद करता है,इंटरलेयर का अत्यधिक थर्मल प्रतिरोध इंटरफेस के माध्यम से गर्मी हस्तांतरण को बाधित करता हैइसलिए, a significant challenge in integrating diamond and copper is to maintain a high interfacial bonding strength while not excessively introducing interfacial thermal resistance when employing interface modification methods.

अंतरफलक की रासायनिक अवस्था विषम सामग्री के बीच अंतरफलक बंधन शक्ति को निर्धारित करती है। उदाहरण के लिए,रासायनिक बंध वैन डेर वाल्स बल या हाइड्रोजन बंध से काफी मजबूत हैंदूसरी ओर,इंटरफेस के दोनों ओर थर्मल विस्तार असंगतता (जहां टी सीटीई और तापमान का प्रतिनिधित्व करता है) हीरा / तांबा कम्पोजिट की बंधन शक्ति को प्रभावित करने वाला एक और महत्वपूर्ण कारक हैजैसा कि चित्र (a) में दिखाया गया है, हीरे और तांबे के बीच थर्मल विस्तार गुणांक में परिमाण के क्रम में महत्वपूर्ण अंतर है।

सामान्य तौर पर,थर्मल विस्तार असंगतता हमेशा कई कम्पोजिट के प्रदर्शन को प्रभावित करने वाला एक महत्वपूर्ण कारक रहा है क्योंकि भरने के आसपास विस्थापन घनत्व ठंडा के दौरान काफी बढ़ जाती हैविशेष रूप से गैर धातु भराव के साथ सुदृढ़ धातु मैट्रिक्स कम्पोजिट में, जैसे कि AlN/Al कम्पोजिट, TiB2/Mg कम्पोजिट, SiC/Al कम्पोजिट, और इस पेपर में अध्ययन किए गए हीरे / तांबे के कम्पोजिट.इसके अतिरिक्त, हीरा/कापर कम्पोजिट का तैयारी तापमान अपेक्षाकृत उच्च होता है, जो सामान्य प्रक्रियाओं में 900°C से अधिक होता है।महत्वपूर्ण थर्मल विस्तार असंगतता आसानी से हीरा/तामा इंटरफेस पर एक खिंचाव की स्थिति में थर्मल तनाव उत्पन्न कर सकते हैं, जिससे इंटरफेस के आसंजन में तेज गिरावट आती है और यहां तक कि इंटरफेस की विफलता भी होती है।

दूसरे शब्दों में, इंटरफेस की रासायनिक स्थिति इंटरफेस बंधन शक्ति के लिए सैद्धांतिक क्षमता निर्धारित करती है,जबकि थर्मल असंगतता उच्च तापमान मिश्र धातु निर्माण के बाद इंटरफेस बंधन शक्ति में कमी की सीमा निर्धारित करती हैइसलिए, अंतिम इंटरफेस बंधन शक्ति इन दो कारकों के बीच बातचीत का परिणाम है।अधिकांश वर्तमान अध्ययन इंटरफ़ेस की रासायनिक स्थिति को समायोजित करके इंटरफेस बंधन शक्ति में सुधार पर ध्यान केंद्रित करते हैं, जैसे कि संक्रमण इंटरलेयर के प्रकार, मोटाई और आकृति विज्ञान के माध्यम से।इंटरफेस पर गंभीर थर्मल असंगतता के कारण इंटरफेस बंधन शक्ति में कमी को अभी तक पर्याप्त ध्यान नहीं दिया गया है.

 

चित्र (a) में दिखाए अनुसार तैयारी प्रक्रिया में तीन मुख्य चरण शामिल हैं।हीरे के कणों की सतह पर 70 एनएम की नाममात्र मोटाई का एक पतला टाइटेनियम (टीआई) कोटिंग जमा किया जाता है (मॉडल): HHD90, जाल का आकारः 60/70, Huanghe Whirlwind Co., Ltd, Henan, China) रेडियो फ्रीक्वेंसी मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग का उपयोग करके 500°C पर। उच्च शुद्धता वाले टाइटेनियम लक्ष्य (शुद्धताः 99.99%) स्रोत सामग्री के रूप में उपयोग किया जाता है, और आर्गन गैस (शुद्धताः 99.995%) स्पटरिंग गैस के रूप में कार्य करती है। जमाव समय को समायोजित करके टी कोटिंग की मोटाई को नियंत्रित किया जाता है। जमाव प्रक्रिया के दौरान,एक सब्सट्रेट रोटेशन तकनीक का उपयोग किया जाता है, जिससे हीरे के कणों की सभी सतहों को स्पटरिंग वायुमंडल के संपर्क में लाया जा सके,यह सुनिश्चित करना कि टाइ तत्व हीरे के कणों के सभी सतह विमानों पर समान रूप से जमा हो (मुख्य रूप से दो प्रकार के पहलुओं सहित): (001) और (111)).

 

दूसरा, गीले मिश्रण प्रक्रिया के दौरान, तांबे के मैट्रिक्स के भीतर हीरे के कणों के समान वितरण को सुनिश्चित करने के लिए 10% वज़न की शराब जोड़ी जाती है।कण का आकार: 5 ¢ 20 μm, Zhongnuo Advanced Materials Technology Co., Ltd, China) और उच्च गुणवत्ता वाले एकल क्रिस्टल हीरे के कणों का उपयोग मैट्रिक्स (55 vol%) और सुदृढीकरण चरण (45 vol%) के रूप में किया जाता है,क्रमशः.

अंत में, अल्कोहल को 10^-4 Pa के उच्च वैक्यूम में प्री-प्रेस कम्पोजिट सामग्री से हटाया जाता है,और तांबा-हीरा मिश्रित सामग्री पाउडर धातु विज्ञान विधियों (स्पार्क प्लाज्मा सिंटरिंग) का उपयोग करके घनीकृत है, एसपीएस) ।

 

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एसपीएस तैयार करने की प्रक्रिया में, हमने अभिनव रूप से एक कम तापमान-उच्च दबाव (एलटीएचपी) सिंटरिंग तकनीक का प्रस्ताव दिया, इसे पतले इंटरफ़ेस संशोधन (70 एनएम) के साथ मिलाकर।कोटिंग द्वारा ही थर्मल प्रतिरोध को कम करने के लिए, एक पतली इंटरफ़ेस संशोधन परत (70 एनएम) का उपयोग किया गया था। तुलना के लिए, हमने पारंपरिक उच्च तापमान-निम्न दबाव (एचटीएलपी) सिंटरिंग प्रक्रिया का उपयोग करके मिश्रित सामग्री भी तैयार की।एचटीएलपी सिंटरिंग तकनीक हीरे और तांबे को घने कम्पोजिट में एकीकृत करने के लिए पहले के कार्यों में व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली एक पारंपरिक विधि हैइस एचटीएलपी प्रक्रिया में आम तौर पर 900 डिग्री सेल्सियस से अधिक उच्च सेंटरिंग तापमान (कापर के पिघलने के बिंदु के करीब) और लगभग 50 एमपीए का कम सेंटरिंग दबाव का उपयोग किया जाता है। हालांकि, हमारे प्रस्तावित एलटीएचपी प्रक्रिया में,सिंटरिंग तापमान 600°C पर सेट किया जाता है, तांबे के पिघलने के बिंदु से काफी कम है।सिंटरिंग दबाव को 300 एमपीए तक काफी बढ़ाया जा सकता हैदोनों प्रक्रियाओं के लिए सिंटरिंग समय 10 मिनट है। LTHP प्रक्रिया मापदंडों के अनुकूलन पर अतिरिक्त विवरण पूरक सामग्री में प्रदान किए जाते हैं।विभिन्न प्रक्रियाओं (LTHP और HTLP) के लिए प्रयोगात्मक मापदंड चित्र (b) में दिखाए गए हैं।.

उपरोक्त शोध के निष्कर्षों का उद्देश्य इन चुनौतियों को दूर करना और हीरा/कूपर कम्पोजिट के थर्मल ट्रांसपोर्ट गुणों में सुधार के लिए तंत्र को स्पष्ट करना हैः

  1. एक नई एकीकरण रणनीति विकसित की गई है जो एलटीएचपी सिंटरिंग प्रक्रिया के साथ अल्ट्रा-थिन इंटरफेस संशोधन को जोड़ती है।परिणामी हीरा/तामा कम्पोजिट 763 W/mK का एक उच्च ताप चालकता मूल्य (k) प्राप्त किया, थर्मल विस्तार गुणांक (सीटीई) मूल्य 10 पीपीएम/के से कम के साथ। इसके अतिरिक्त,एक उच्च k मूल्य प्राप्त किया गया था यहां तक कि एक कम हीरे के वॉल्यूम अंश पर (45% की तुलना में 50%-70% पारंपरिक पाउडर धातु विज्ञान प्रक्रियाओं में विशिष्ट), यह दर्शाता है कि हीरे भरने की मात्रा को कम करके लागत में काफी कमी की जा सकती है।

  2. प्रस्तावित रणनीति के माध्यम से परिष्कृत इंटरफ़ेस संरचना को हीरे/टीआईसी/क्यूटीआई2/क्यू की एक परत संरचना के रूप में विशेषता दी गई थी,जिसने संक्रमण परत की मोटाई को लगभग 100 एनएम तक कम कर दिया, पहले इस्तेमाल किए गए कई सौ नैनोमीटर या माइक्रोमीटर की तुलना में बहुत कम है। हालांकि, तैयारी प्रक्रिया के दौरान थर्मल तनाव क्षति के कारण,इंटरफेस बंधन शक्ति अभी भी सहसंयोजक बंधन के स्तर के लिए बढ़ाया गया था, 3.661 J/m2 की इंटरफेस बंधन ऊर्जा के साथ।

  3. अपनी अति पतली प्रकृति के कारण, ध्यान से तैयार किया गया हीरा / तांबा इंटरफेस संक्रमण परत कम थर्मल प्रतिरोध प्रदर्शित करता है। molecular dynamics (MD) and ab initio simulation results indicate that the diamond/titanium carbide interface has excellent phonon property matching and outstanding thermal transfer capability (G > 800 MW/m²K)इस प्रकार, दो संभावित थर्मल ट्रांसफर की बाधाएं अब हीरा/कापर इंटरफेस के लिए सीमित कारक नहीं हैं।

इंटरफेस बंधन शक्ति प्रभावी रूप से सहसंयोजक बंधन के स्तर तक बढ़ी। हालांकि, इंटरफेस थर्मल ट्रांसफर क्षमता (जी = 93.5 मेगावाट/एम 2 के) अप्रभावित रही,इन दो महत्वपूर्ण कारकों के बीच एक उत्कृष्ट संतुलन प्राप्त करनाविश्लेषणों से पता चलता है कि इन दो प्रमुख कारकों में एक साथ सुधार ही हीरा/कापर कम्पोजिट की बेहतर ताप चालकता का कारण है।

 


ZMSH का समाधान

 

तांबा सब्सट्रेट एकल क्रिस्टल Cu वेफर 5x5x0.5/lmm 10x10x0.5/1mm 20x20x0.5/1mm a=3.607A

 

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अल सब्सट्रेट एकल क्रिस्टल एल्यूमीनियम सब्सट्रेट शुद्धता 99/99% 5×5×1/0.5 मिमी 10×10×1/0.5 20x20x0.5/1 मिमी

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