ডায়মন্ড/কপার কম্পোজিট উপকরণ, সীমাবদ্ধতা অতিক্রম করছে!

আধুনিক ইলেকট্রনিক ডিভাইসগুলির ধারাবাহিক ক্ষুদ্রীকরণ, সংহতকরণ এবং উচ্চ পারফরম্যান্সের সাথে কম্পিউটিং, 5 জি / 6 জি, ব্যাটারি,এবং পাওয়ার ইলেকট্রনিক্সের ঊর্ধ্বমুখী শক্তি ঘনত্বের ফলে ডিভাইসগুলির মধ্যে গুরুতর জোল গরম এবং উচ্চ তাপমাত্রা হয়েছে. এর ফলে কর্মক্ষমতা হ্রাস এবং ডিভাইস ব্যর্থতা হয়। দক্ষ তাপীয় ব্যবস্থাপনা ইলেকট্রনিক পণ্য একটি গুরুত্বপূর্ণ সমস্যা হয়ে উঠেছে। এই সমস্যাটি হ্রাস করার জন্য,ইলেকট্রনিক উপাদানগুলিতে উন্নত তাপ ব্যবস্থাপনা উপকরণগুলিকে একীভূত করা তাদের তাপ অপসারণ ক্ষমতা উল্লেখযোগ্যভাবে উন্নত করতে পারে.

ডায়মন্ডগুলির চমৎকার তাপীয় বৈশিষ্ট্য রয়েছে, সমস্ত বাল্ক উপকরণগুলির মধ্যে সর্বোচ্চ আইসোট্রপিক তাপ পরিবাহিতা (k = 2300 W/mK) প্রদর্শন করে,এবং ঘরের তাপমাত্রায় তাপীয় সম্প্রসারণের অত্যন্ত কম সহগ (সিটিই = 1 পিপিএম/কে). 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.

যাইহোক, হীরা এবং তামার মধ্যে অনেক পারফরম্যান্স দিকের মধ্যে উল্লেখযোগ্য অসঙ্গতি রয়েছে, যার মধ্যে রয়েছে তবে সীমাবদ্ধ নয় সিটিই (উচ্চতার ক্রমে উল্লেখযোগ্য পার্থক্য সহ,চিত্র (a) তে দেখানো হয়েছে) এবং রাসায়নিক সম্বন্ধ (এগুলি মিশ্রিত হয় না এবং রাসায়নিক বিক্রিয়াতে পড়ে না)যেমনটা চিত্র (খ) তে দেখানো হয়েছে।

এই অসঙ্গতিগুলি অনিবার্যভাবে উচ্চ তাপমাত্রা উত্পাদন বা ইন্টিগ্রেশন প্রক্রিয়ার সময় হীরা / তামার কম্পোজিটগুলির স্বতন্ত্র নিম্ন বন্ধন শক্তির দিকে পরিচালিত করে,পাশাপাশি ডায়মন্ড/কপার ইন্টারফেসে উচ্চ তাপ চাপফলস্বরূপ, হীরা / তামা কম্পোজিটগুলি ইন্টারফেস ক্র্যাকিংয়ের জন্য প্রবণ, যা তাপ পরিবাহিতা উল্লেখযোগ্যভাবে হ্রাস করে (যখন হীরা এবং তামা সরাসরি সংযুক্ত হয়, তখন তাপ পরিবাহিতা উল্লেখযোগ্যভাবে হ্রাস পায়) ।তাদের k মান খাঁটি তামার তুলনায় অনেক কম হতে পারেএমনকি 200 W/mK এর নিচেও) ।

বর্তমানে, প্রধান উন্নতি পদ্ধতিতে ধাতু খাদ বা পৃষ্ঠের ধাতবীকরণের মাধ্যমে হীরা / হীরা ইন্টারফেসের রাসায়নিক পরিবর্তন জড়িত।ইন্টারফেস এ গঠিত ট্রানজিশন ইন্টারলেয়ার ইন্টারফেস বাঁধাই শক্তি উন্নত করতে পারেন, এবং একটি তুলনামূলকভাবে ঘন ইন্টারলেয়ার ইন্টারফেস ফাটল প্রতিরোধে আরো উপকারী।ইন্টারলেয়ারের বেধ শত শত ন্যানোমিটার বা এমনকি মাইক্রোমিটার হতে হবেযাইহোক, হীরা / তামার ইন্টারফেসে ট্রানজিশন ইন্টারলেয়ারগুলি যেমন কার্বাইড (যেমন, টিআইসি, জেডআরসি, সিআর 3 সি 2) কম অভ্যন্তরীণ তাপ পরিবাহিতা প্রদর্শন করে (< 25 W / mK),ডায়মন্ড বা তামার চেয়ে কয়েক ক্রম কমইন্টারফেস তাপ স্থানান্তর দক্ষতা উন্নত করার দৃষ্টিকোণ থেকে, ট্রানজিশন ইন্টারলেয়ারের বেধকে সর্বনিম্ন করা অপরিহার্য কারণ, তাপ প্রতিরোধের মডেল অনুযায়ী,ইন্টারফেস তাপ পরিবাহিতা (G_cu-diamond) ইন্টারলেয়ার বেধ (d) এর বিপরীত অনুপাত.

যদিও একটি তুলনামূলকভাবে ঘন রূপান্তর ইন্টারলেয়ার হীরা / হীরা ইন্টারফেসে ইন্টারফেস লিঙ্ক শক্তি উন্নত করতে সাহায্য করে,ইন্টারলেয়ারের অত্যধিক তাপ প্রতিরোধের ইন্টারফেস জুড়ে তাপ স্থানান্তর বাধা দেয়অতএব, 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.

ইন্টারফেসের রাসায়নিক অবস্থা ভিন্ন ভিন্ন উপাদানের মধ্যে ইন্টারফেস বন্ডিং শক্তি নির্ধারণ করে। উদাহরণস্বরূপ,রাসায়নিক বন্ড ভ্যান ডের ওয়ালেস বাহিনী বা হাইড্রোজেন বন্ডের তুলনায় উল্লেখযোগ্যভাবে শক্তিশালীঅন্যদিকে,ইন্টারফেসের উভয় পাশে তাপীয় সম্প্রসারণের অসঙ্গতি (যেখানে T CTE এবং তাপমাত্রা প্রতিনিধিত্ব করে) হ'ল হীরা / তামা কম্পোজিটগুলির বন্ধন শক্তিকে প্রভাবিত করে এমন আরেকটি সমালোচনামূলক কারণযেমনটি চিত্র (a) এ দেখানো হয়েছে, হীরা এবং তামার মধ্যে তাপীয় প্রসারণ সহগগুলির আকারের ক্রমে উল্লেখযোগ্য পার্থক্য রয়েছে।

সাধারণভাবে,তাপীয় সম্প্রসারণের অসঙ্গতি সবসময় অনেক কম্পোজিট কর্মক্ষমতা প্রভাবিত একটি মূল কারণ হয়েছে কারণ ফিলার কাছাকাছি dislocation ঘনত্ব উল্লেখযোগ্যভাবে শীতল সময় বৃদ্ধি পায়, বিশেষ করে অ-ধাতব ফিলার দিয়ে শক্তিশালী ধাতব ম্যাট্রিক্স কম্পোজিটগুলিতে, যেমন আলএন / আল কম্পোজিট, টিবি 2 / এমজি কম্পোজিট, সিআইসি / আল কম্পোজিট এবং এই কাগজে অধ্যয়ন করা হীরা / তামা কম্পোজিটগুলি.উপরন্তু, হীরা / তামা কম্পোজিটগুলির প্রস্তুতির তাপমাত্রা তুলনামূলকভাবে উচ্চ, সাধারণত প্রচলিত প্রক্রিয়াগুলিতে 900 °C অতিক্রম করে।উল্লেখযোগ্য তাপীয় সম্প্রসারণের অসঙ্গতি সহজে হীরা / তামা ইন্টারফেসে প্রসার্য অবস্থায় তাপীয় চাপ তৈরি করতে পারে, যা ইন্টারফেস অ্যাডেসিভের তীব্র হ্রাস এবং এমনকি ইন্টারফেস ব্যর্থতার দিকে পরিচালিত করে।

অন্য কথায়, ইন্টারফেসের রাসায়নিক অবস্থা ইন্টারফেসের বন্ধন শক্তির জন্য তাত্ত্বিক সম্ভাব্যতা নির্ধারণ করে,যখন তাপীয় অসঙ্গতি উচ্চ তাপমাত্রা যৌগিক উত্পাদন পরে ইন্টারফেস বন্ধন শক্তি হ্রাস পরিমাণ dictatesঅতএব, চূড়ান্ত ইন্টারফেস বন্ডিং শক্তি এই দুটি কারণের মধ্যে মিথস্ক্রিয়া ফলাফল। যাইহোক,বেশিরভাগ সাম্প্রতিক গবেষণায় ইন্টারফেসটির রাসায়নিক অবস্থা সামঞ্জস্য করে ইন্টারফেস সংযোগের শক্তি উন্নত করার উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করা হয়েছে, যেমনঃ ট্রানজিশন ইন্টারলেয়ারের ধরন, বেধ এবং আকৃতি।ইন্টারফেস এ গুরুতর তাপীয় অসঙ্গতি কারণে ইন্টারফেস বাঁধাই শক্তি হ্রাস এখনও পর্যাপ্ত মনোযোগ পায়নি.

চিত্র (a) তে দেখানো হয়েছে যে প্রস্তুতি প্রক্রিয়াটি তিনটি প্রধান ধাপ নিয়ে গঠিত।একটি পাতলা টাইটানিয়াম (টিআই) লেপ 70 এনএম এর নামমাত্র বেধের হীরা কণার পৃষ্ঠের উপর জমা হয় (মডেল): এইচএইচডি৯০, জালের আকারঃ ৬০/৭০, হুয়াংহে হুরলওয়াইন্ড কো, লিমিটেড, হেনান, চীন) 500°C এ রেডিও ফ্রিকোয়েন্সি ম্যাগনেট্রন স্পটারিং ব্যবহার করে। উচ্চ বিশুদ্ধতা টাইটানিয়াম লক্ষ্যমাত্রা (বিশুদ্ধতাঃ 99.৯৯%) সোর্স উপাদান হিসেবে ব্যবহার করা হয়।, এবং আর্গন গ্যাস (পরিচ্ছন্নতাঃ 99.995%) স্পটারিং গ্যাস হিসাবে কাজ করে। Ti লেপ বেধ জমাট বাঁধার সময় সামঞ্জস্য করে নিয়ন্ত্রিত হয়। জমাট বাঁধার প্রক্রিয়া চলাকালীন,একটি সাবস্ট্র্যাট ঘূর্ণন কৌশল ব্যবহার করা হয়, যার ফলে ডায়মন্ড কণার সমস্ত পৃষ্ঠকে স্পটারের বায়ুমণ্ডলে প্রকাশ করা যায়,নিশ্চিত করা হচ্ছে যে টী উপাদানটি হীরা কণাগুলির সমস্ত পৃষ্ঠের সমতলে অভিন্নভাবে জমা হয় (প্রধানত দুটি ধরণের দিক সহ): (001) এবং (111) ।

দ্বিতীয়ত, ভিজা মিশ্রণ প্রক্রিয়া চলাকালীন, তামার ম্যাট্রিক্সে হীরা কণাগুলির অভিন্ন বন্টন নিশ্চিত করার জন্য 10 wt% অ্যালকোহল যুক্ত করা হয়। খাঁটি তামার গুঁড়া (বিশুদ্ধতাঃ 99.85 wt%,কণার আকার: 5 ′′20 μm, Zhongnuo Advanced Materials Technology Co., Ltd, China) এবং উচ্চমানের একক-ক্রিস্টাল ডায়মন্ড কণা ম্যাট্রিক্স (55 ভোল%) এবং শক্তিশালী ফেজ (45 ভোল%) হিসাবে ব্যবহৃত হয়,সংশ্লিষ্ট.

অবশেষে, অ্যালকোহলটি 10^-4 Pa এর উচ্চ শূন্যতায় প্রি-প্রেসড কম্পোজিট উপাদান থেকে সরানো হয়,এবং তামার-ডায়মন্ড কম্পোজিট উপাদানটি গুঁড়া ধাতুবিদ্যার পদ্ধতি (স্কিকার প্লাজমা সিন্টারিং) ব্যবহার করে ঘন হয়, এসপিএস) ।

এসপিএস প্রস্তুতি প্রক্রিয়ায়, আমরা উদ্ভাবনীভাবে একটি নিম্ন তাপমাত্রা উচ্চ চাপ (এলটিএইচপি) সিন্টারিং কৌশল প্রস্তাব করেছি, এটি পাতলা ইন্টারফেস পরিবর্তন (70 এনএম) এর সাথে একত্রিত করেছি।লেপ নিজেই দ্বারা প্রবর্তিত তাপ প্রতিরোধের কমাতে, একটি পাতলা ইন্টারফেস পরিবর্তন স্তর (70 এনএম) ব্যবহার করা হয়েছিল। তুলনা করার জন্য, আমরা ঐতিহ্যগত উচ্চ তাপমাত্রা-নিম্ন চাপ (এইচটিএলপি) সিন্টারিং প্রক্রিয়া ব্যবহার করে যৌগিক উপকরণ প্রস্তুত করেছি।এইচটিএলপি সিন্টারিং কৌশল হ'ল হীরা এবং তামাকে ঘন যৌগিক উপাদানগুলিতে একীভূত করার জন্য পূর্ববর্তী কাজগুলিতে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত একটি প্রচলিত পদ্ধতিএই এইচটিএলপি প্রক্রিয়াটি সাধারণত ৯০০ ডিগ্রি সেন্টিগ্রেডের বেশি উচ্চতর সিনট্রেটিং তাপমাত্রা (রূপা গলন বিন্দুর কাছাকাছি) এবং প্রায় ৫০ এমপিএ এর কম সিনট্রেটিং চাপ ব্যবহার করে। তবে আমাদের প্রস্তাবিত এলটিএইচপি প্রক্রিয়াতে,সিন্টারিং তাপমাত্রা 600°C এ সেট করা হয়একই সময়ে, ঐতিহ্যগত গ্রাফাইট ছাঁচগুলিকে শক্ত খাদ ছাঁচগুলির সাথে প্রতিস্থাপন করে,সিন্টারিং চাপ ৩০০ এমপিএ পর্যন্ত বৃদ্ধি করা যায়. উভয় প্রক্রিয়ার জন্য সিন্টারিং সময় 10 মিনিট। LTHP প্রক্রিয়া পরামিতি অপ্টিমাইজ করার উপর অতিরিক্ত বিবরণ সম্পূরক উপকরণ প্রদান করা হয়।বিভিন্ন প্রক্রিয়া (LTHP এবং HTLP) এর পরীক্ষামূলক পরামিতিগুলি চিত্র (b) এ দেখানো হয়েছে.

উপরের গবেষণার ফলাফলগুলি এই চ্যালেঞ্জগুলি অতিক্রম করার লক্ষ্যে এবং হীরা / তামা কম্পোজিটগুলির তাপ পরিবহন বৈশিষ্ট্য উন্নত করার প্রক্রিয়াগুলি ব্যাখ্যা করেঃ

1. একটি নতুন ইন্টিগ্রেশন কৌশল তৈরি করা হয়েছিল যা এলটিএইচপি সিন্টারিং প্রক্রিয়ার সাথে অতি পাতলা ইন্টারফেস পরিবর্তনকে একত্রিত করে।ফলস্বরূপ হীরা / তামা কম্পোজিট একটি উচ্চ তাপ পরিবাহিতা মান (কে) 763 W/mK অর্জন, যার তাপীয় সম্প্রসারণ সহগ (সিটিই) মান ১০ পিপিএম/কে এর কম।একটি উচ্চ k মান এমনকি একটি কম ডায়মন্ড ভলিউম ভগ্নাংশ (45% প্রচলিত গুঁড়া ধাতুবিদ্যা প্রক্রিয়ায় প্রচলিত 50%-70% তুলনায় তুলনায়) অর্জন করা হয়, যা ইঙ্গিত দেয় যে হীরা ফিলারের পরিমাণ হ্রাস করে ব্যয় উল্লেখযোগ্যভাবে হ্রাস করা যেতে পারে।

2. প্রস্তাবিত কৌশলটির মাধ্যমে পরিমার্জিত ইন্টারফেস কাঠামোটি হীরা/টিআইসি/সিউটিআই২/সিউ এর স্তরযুক্ত কাঠামো হিসাবে চিহ্নিত করা হয়েছিল,যা ট্রানজিশন স্তরটির বেধকে প্রায় ১০০ এনএম পর্যন্ত কমিয়ে দিয়েছে, পূর্বে ব্যবহৃত কয়েকশ ন্যানোমিটার বা এমনকি মাইক্রোমিটারের তুলনায় অনেক কম। তবে প্রস্তুতি প্রক্রিয়ার সময় তাপীয় চাপের ক্ষতি হ্রাসের কারণে,ইন্টারফেস বন্ডিং শক্তি এখনও কোভাল্যান্ট বন্ডের স্তরে উন্নত ছিল, যার ইন্টারফেস বন্ডিং শক্তি ৩.৬৬১ জে/এম২।

3. তার অতি পাতলা প্রকৃতির কারণে, সাবধানে তৈরি হীরা / তামা ইন্টারফেস রূপান্তর স্তর কম তাপ প্রতিরোধের প্রদর্শন করে। 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)সুতরাং, দুটি সম্ভাব্য তাপ স্থানান্তর বোতল ঘাঁটি হীরা / তামা ইন্টারফেসের জন্য আর সীমাবদ্ধ কারণ নয়।

ইন্টারফেস বন্ডিং শক্তি কার্যকরভাবে কোভাল্যান্ট বন্ডের স্তরে বৃদ্ধি পেয়েছে। তবে ইন্টারফেস তাপ স্থানান্তর ক্ষমতা (জি = 93.5 মেগাওয়াট / এম 2 কে) প্রভাবিত হয়নি,এই দুটি গুরুত্বপূর্ণ কারণের মধ্যে একটি চমৎকার ভারসাম্য অর্জনবিশ্লেষণগুলি ইঙ্গিত দেয় যে এই দুটি মূল কারণের একযোগে উন্নতি হ'ল হীরা / তামার কম্পোজিটগুলির উচ্চতর তাপ পরিবাহিতার কারণ।

 

ZMSH এর সমাধান

তামা সাবস্ট্র্যাট সিঙ্গল ক্রিস্টাল Cu ওয়েফার 5x5x0.5/lmm 10x10x0.5/1mm 20x20x0.5/1mm a=3.607A

আল সাবস্ট্র্যাট একক স্ফটিক অ্যালুমিনিয়াম সাবস্ট্র্যাট বিশুদ্ধতা 99/99% 5×5×1/0.5 মিমি 10×10×1/0.5 20x20x0.5/1 মিমি