どのように粉末冶金法を操纵して、高熱伝導性の銅/ダイヤモンド複合资料を製造しますか？

 

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、金属系放熱装配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、電子パッケージ资料の熱伝導率に対してより高い请求を提出した。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、熱膨張係数が調整能够で、同時に高い優れた力学机能と加工机能を兼ね備えた「金属+ダイヤモンド」複合资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请求を満たし、第4世代電子パッケージ资料と見なされる。
ダイヤモンド/銅複合资料の利点は何ですか。
各種類の金属资料の中で、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）、より少许のダイヤモンド補強体を增加するだけで、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请求を満たすことができるだけでなく、杰出な耐熱、耐食性と化学安靖性を持ち、より広い範囲で低温、腐食環境などの極端な兵役前提、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、発生する界面熱抵当が大きく、複合资料の熱伝導率の向上を阻害する。そのため、実際に利用する際には、资料を*杰出な総合机能を得るために、あらかじめダイヤモンド外表を金属化処理したり、銅基体を合金化したりする须要があるほか、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离性問題などの多方面の因素を総合的に考慮する须要がある。
現在、ダイヤモンド/銅複合资料を製造する方式は多く、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、製造された複合资料の机能が優れているため、すでにその*经常使用の製造方式の一つとなっている。この方式では、Cu粉とダイヤモンド粒子をボールミルなどで均一に夹杂し、焼結成形することでミクロ組織の均一な複合资料を製造することができる。粉末冶金*の主要な工程として、焼結成形は实现品の*最終品質に関係している。現在、Cu/ダイヤモンド複合资料の製造に応用されている普通的な焼結技術は、熱圧焼結、低温高圧焼結、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、拡散溶接成形の方式であり、伝統的に複合资料を製造する方式として、その主な技術は：補強体と銅粉を均一に夹杂し、特定の外形金型内に入れ、大気、真空または保護雰囲気中で、加熱すると同時に一軸标的目的に圧力を加え、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、资料の密度が高く、粉末中の残留ガスを排挤することができ、それによってダイヤモンドと銅の間に安靖で強固な界面を构成させ、複合资料の接着強度と熱物理机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/ダイヤモンド複合资料を作製した。
利点：ダイヤモンドと銅粉の比率は実際の须要に応じて自在に調整でき、かつ伝統的な複合资料としての製造方式の技術が比較的に成熟し、製造前提が簡単で、
欠点：この方式は焼結パラメータの制御及び活性元素の增加に依存して界面結合を最適化し、同時に設備と金型に羁绊され、かつ軸标的目的一标的目的加圧であり、得られた资料のサイズが小さく、外形が比較的に単一である。
02、超低温高圧焼結
超高圧低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、普通的には1〜10 GPaの圧力である。より高い温度と圧力により、夹杂粉体を短時間で缓慢に焼結成形する。高圧力を実現するために、普通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、密度の高い複合资料を得ることができる。
Yoshidaらは1150〜1200℃、4.5 GPaの低温高圧前提下で742 W／（m・K）の熱伝導率を有するダイヤモンド／銅複合资料の製造に胜利した。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、低温高圧ダイヤモンド間が间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：実現するには特别な設備と高い前提が须要で、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整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、必然の圧力を印加し、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打仗面に衝突し、粒子外表を活性化させ、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、昇温速率が100℃/min、保温時間が5 minの前提下で、熱伝導率が503.9 W/（m•K）のダイヤモンド/銅複合资料を製造した。
利点：SPS焼結の過程で、粉体粒子間に能動力があり、须要な焼結温度が低く（凡是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、界面成份、厚さの*制御には必然の難度が存在し、調製した複合资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／銅複合资料は、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资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、製造された複合资料の机能が優れているため、すでにその*普通的な製造方式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当の問題を完整に解決することはできず、複雑な外形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。未来の高熱伝導性銅基複合资料の研讨は、熱伝導強化体と基体間の界面結合と熱伝導机能（ダイヤモンドの予備金属化及び銅基合金化など）を重点的に改良し、それによって複合资料の総合熱伝導机能を最適化し、経済的で高効率な高熱伝導性銅基複合资料の応用を実現しなければならない。