Уже несколько десятилетий в областях электронной упаковки и аэрокосмической промышленности активно исследуются и разрабатываются теплорассеивающие устройства на основе металлов. Увеличение мощности и плотности привело к повышению требований к теплопроводности материалов. Возможность комбинировать алмаз — материал с высокой теплопроводностью (2 200 вт/(м·к)) и низким коэффициентом теплового расширения ((8,6±1)×10-7/к), с металлами, как, например, медью или алюминием, дает возможность достичь высокой теплопроводности в итоговом материале. Идеальное сочетание свойств материала «металл + алмаз» — регулируемый коэффициент теплового расширения, высокие механические свойства и возможность обработки — полностью удовлетворяют требования различных электронных упаковок, поэтому этот материал считается четвертым поколением материалов для электронной упаковки.
Среди различных металлических материалов, медь обладает самой высокой теплопроводностью (385-400 вт/(м·к)) и относительно низким коэффициентом теплового расширения (17×10-6/к) по сравнению с другими металлами как, например, алюминий. Добавление даже небольшого количества алмазного армирования позволяет достичь сопоставимого с полупроводниковым коэффициента теплового расширения, что в свою очередь обеспечивает высокую теплопроводность. Но не только это делает этот материал привлекательным; он также обладает отличной термостойкостью, устойчивостью к коррозии и химической стабильностью, что сделало его идеальным для экстремальных условий эксплуатации, например, в атомной энергетике, а также при соприкосновении с агрессивными средами, влажностью, холодом и высокими температурами.
Как подготовиться?
На текущий момент существует множество методов подготовки композиционных материалов, таких как алмазно-медные, включая порошковую металлургию, химическое осаждение, механическое легирование, напыление, литье и т.д. Порошковая металлургия из-за своей простоты и эффективности стала наиболее распространенным методом подготовки. Она позволяет равномерно смешать порошок меди и алмазные частицы с помощью шаровой мельницы и других методов, а затем использовать спекание и формование для получения композиционного материала с однородной микроструктурой. Процесс спекания играет важную роль, определяя конечное качество готового продукта. Наиболее распространенными методами спекания при получении алмазно-медных композиционных материалов являются спекание в горячем прессе, спекание при высокой температуре и высоком давлении, а также спекание в плазме разряда.
Спекание в горячем прессе представляет собой метод формования материала с использованием диффузионной сварки. При традиционном методе готовят арматуру и порошок меди, равномерно смешивая их, затем помещают смесь в форму определенной формы и подвергают воздействию давления в атмосфере, вакууме или защищенной среде при нагреве в одноосном направлении, что позволяет одновременно формовать и спекать материал. Благодаря прикладываемому давлению порошок плотно спекается, что обеспечивает высокую плотность и удаляет остаточные газы. Повышается прочность соединения и теплофизические свойства композиционных материалов.
Метод спекания при сверхвысокой температуре и высоком давлении аналогичен методу спекания горячим прессом, но с более высоким прикладываемым давлением, обычно в диапазоне 1-10 ГПа. Благодаря более высокой температуре и давлению смешанный порошок быстро спекается и формируется за короткое время.
Искрово-плазменное спекание (SPS) осуществляется путем подачи импульсного тока высокой энергии к порошку и создания определенного давления, что вызывает разряд между частицами и возбуждает плазму. При этом частицы, получившие высокую энергию от разряда, сталкиваются с поверхностью частиц, активируя ее, и происходит сверхскоростное уплотнение.
Порошковая металлургия — один из самых простых и наиболее часто используемых методов подготовки композиционных материалов.
