どのように粉末冶金法を利用して、高熱伝導(dǎo)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、金屬系放熱裝置が數(shù)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(dǎo)率に対してより高い要求を提出した。高い熱伝導(dǎo)率（2 200 W/（m?K））、低い熱膨張係數(shù)（（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屬を複合し、熱伝導(dǎo)率が高く、熱膨張係數(shù)が調(diào)整可能で、同時(shí)に高い優(yōu)れた力學(xué)性能と加工性能を兼ね備えた「金屬+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/銅複合材料の利點(diǎn)は何ですか。
各種類の金屬材料の中で、銅はアルミニウムなどの他の金屬に比べて熱伝導(dǎo)率が高く（385～400 W/（m?K））、熱膨張係數(shù)も相対的に低い（17×10-6/K）、より少量のダイヤモンド補(bǔ)強(qiáng)體を添加するだけで、熱膨張係數(shù)は半導(dǎo)體と整合でき、さらに高い熱伝導(dǎo)率を得やすく、現(xiàn)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、耐食性と化學(xué)安定性を持ち、より広い範(fàn)囲で高溫、腐食環(huán)境などの極端な兵役條件、例えば原子力工學(xué)、酸塩基と乾濕冷熱が交互になる大気環(huán)境などを満たすことができる。
どのように調(diào)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(dǎo)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屬化処理したり、銅基體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體の界面結(jié)合問題や銅基體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(xiàn)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、化學(xué)堆積法、機(jī)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(shù)が簡単で、製造された複合材料の性能が優(yōu)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(jié)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(jié)成形は完成品の*最終品質(zhì)に関係している。現(xiàn)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(jié)技術(shù)は、熱圧焼結(jié)、高溫高圧焼結(jié)、放電プラズマ法焼結(jié)である。
01、ホットプレス焼結(jié)
熱圧焼結(jié)法は、拡散溶接成形の方法であり、伝統(tǒng)的に複合材料を製造する方法として、その主な技術(shù)は：補(bǔ)強(qiáng)體と銅粉を均一に混合し、特定の形狀金型內(nèi)に入れ、大気、真空または保護(hù)雰囲気中で、加熱すると同時(shí)に一軸方向に圧力を加え、成形と焼結(jié)を同時(shí)に行う。粉體は圧力がある場(chǎng)合に焼結(jié)するため、粉體の流動(dòng)性が良く、材料の密度が高く、粉末中の殘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(qiáng)固な界面を形成させ、複合材料の接著強(qiáng)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屬化した後、熱圧焼結(jié)法を用いて721 W/（m?K）までの熱伝導(dǎo)率を有する銅/ダイヤモンド複合材料を作製した。
利點(diǎn)：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(diào)整でき、かつ伝統(tǒng)的な複合材料としての製造方法の技術(shù)が比較的に成熟し、製造條件が簡単で、
欠點(diǎn)：この方法は焼結(jié)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(jié)合を最適化し、同時(shí)に設(shè)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、形狀が比較的に単一である。
02、超高溫高圧焼結(jié)
超高圧高溫法は機(jī)構(gòu)的にはホットプレス焼結(jié)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。より高い溫度と圧力により、混合粉體を短時(shí)間で急速に焼結(jié)成形する。高圧力を?qū)g現(xiàn)するために、一般的に採用されている設(shè)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(shí)に圧力を加えることにより、チャンバ內(nèi)の粉體は同時(shí)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の高溫高圧條件下で742 W／（m?K）の熱伝導(dǎo)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、ダイヤモンド粒徑は90?110μm、體積率は70%である。
利點(diǎn)：密度が高く、製造にかかる時(shí)間が短く、効率が高く、ダイヤモンドの體積率が高い場(chǎng)合、高溫高圧ダイヤモンド間が直接結(jié)合する現(xiàn)象は超高い熱伝導(dǎo)率をもたらすことができる。
欠點(diǎn)：実現(xiàn)するには特殊な設(shè)備と高い條件が必要で、コストが高く、ダイヤモンドと銅の結(jié)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(jié)
放電プラズマ焼結(jié)（SPS）は粉體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、粒子間に放電勵(lì)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觸面に衝突し、粒子表面を活性化させ、超高速緻密化焼結(jié)を?qū)g現(xiàn)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(jié)溫度が800?1000℃、焼結(jié)圧力が30 MPa、昇溫速度が100℃/min、保溫時(shí)間が5 minの條件下で、熱伝導(dǎo)率が503.9 W/（m?K）のダイヤモンド/銅複合材料を製造した。
利點(diǎn)：SPS焼結(jié)の過程で、粉體粒子間に能動(dòng)力があり、必要な焼結(jié)溫度が低く（通常800?950℃）、圧力が小さく（50?80 MPa）、時(shí)間が極めて短く、エネルギーを節(jié)約した。
欠點(diǎn)：焼結(jié)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(diào)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(diào)製することができない。
小結(jié)
ダイヤモンド／銅複合材料は、高い熱伝導(dǎo)率（多くの場(chǎng)合、600 W／（m?K）まで）を有するだけでなく、電子半導(dǎo)體パッケージ材料に適合する膨張係數(shù)を有する。粉末冶金はその製造技術(shù)が簡単で、製造された複合材料の性能が優(yōu)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、複雑な形狀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。將來の高熱伝導(dǎo)性銅基複合材料の研究は、熱伝導(dǎo)強(qiáng)化體と基體間の界面結(jié)合と熱伝導(dǎo)性能（ダイヤモンドの予備金屬化及び銅基合金化など）を重點(diǎn)的に改善し、それによって複合材料の総合熱伝導(dǎo)性能を最適化し、経済的で高効率な高熱伝導(dǎo)性銅基複合材料の応用を?qū)g現(xiàn)しなければならない。