RU2270821C2 - Heat-conducting material - Google Patents
Heat-conducting material Download PDFInfo
- Publication number
- RU2270821C2 RU2270821C2 RU2003118430/03A RU2003118430A RU2270821C2 RU 2270821 C2 RU2270821 C2 RU 2270821C2 RU 2003118430/03 A RU2003118430/03 A RU 2003118430/03A RU 2003118430 A RU2003118430 A RU 2003118430A RU 2270821 C2 RU2270821 C2 RU 2270821C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- diamond
- heat
- silicon
- thermal conductivity
- conducting material
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Настоящее изобретение относится к теплопроводящему композитному материалу, изготовленному из смеси алмазных частиц и содержащему алмазные частицы, карбид кремния, а также кремний или сплав кремния.The present invention relates to a heat-conducting composite material made from a mixture of diamond particles and containing diamond particles, silicon carbide, as well as silicon or a silicon alloy.
Уровень техникиState of the art
Материалы, имеющие высокую удельную теплопроводность, широко используются в теплообменных устройствах, таких как поглотители тепла, теплообменники и другие, и обычно состоят из металлов с высокой удельной теплопроводностью, таких как алюминий, медь и серебро, причем удельная теплопроводность этих металлов составляет соответственно от 120 до 220 Вт/(м·К), 400 Вт/(м·К) и 430 Вт/(м·К). Серебро является достаточно дорогим и не используется в тех же масштабах, что и медь. Использование меди имеет несколько недостатков. Один из них заключается в достаточно высокой плотности (8,9 г/см3), что делает устройства, в которых используется медь, тяжелыми. Высокая плотность меди также приводит к довольно низкому значению температуропроводности α=1,2 см2/сек (α=λ/Ср*ρ, где α представляет собой коэффициент температуропроводности, λ представляет собой коэффициент теплопроводности, Ср представляет собой теплоемкость, а ρ представляет собой плотность). Низкая температуропроводность ограничивает применение меди в тех изделиях, где не требуется быстрая теплопередача. Другой недостаток меди состоит в склонности меди к окислению. Оксид меди, образованный на поверхности теплообменного устройства, значительно снижает термические свойства всего устройства. Еще один недостаток состоит в том, что медь имеет высокий коэффициент теплового расширения относительно материала, используемого в интегральных схемах, а различие в коэффициентах теплового расширения вызывает напряжения и опасность образования трещин в месте соединения между схемой и поглотителем тепла, если медь используется в качестве поглощающего тепло материала. Недостатками алюминия являются умеренная теплопроводность и высокий коэффициент теплового расширения.Materials having high thermal conductivity are widely used in heat exchangers, such as heat sinks, heat exchangers and others, and usually consist of metals with high thermal conductivity, such as aluminum, copper and silver, and the thermal conductivity of these metals ranges from 120 to 220 W / (m · K), 400 W / (m · K) and 430 W / (m · K). Silver is quite expensive and is not used on the same scale as copper. The use of copper has several disadvantages. One of them is a fairly high density (8.9 g / cm 3 ), which makes devices that use copper, heavy. The high density of copper also leads to a rather low thermal diffusivity α = 1.2 cm 2 / s (α = λ / C p * ρ, where α is the thermal diffusivity, λ is the thermal conductivity, C p is the heat capacity, and ρ represents the density). Low thermal diffusivity limits the use of copper in those products where fast heat transfer is not required. Another disadvantage of copper is its tendency to oxidize. Copper oxide formed on the surface of a heat exchanger device significantly reduces the thermal properties of the entire device. Another disadvantage is that copper has a high coefficient of thermal expansion relative to the material used in integrated circuits, and the difference in thermal expansion coefficients causes stresses and the risk of cracking at the junction between the circuit and the heat absorber if copper is used as heat absorbing material. The disadvantages of aluminum are moderate thermal conductivity and high coefficient of thermal expansion.
В электронной промышленности потребность в более хороших поглотителях тепла растет из-за разработки более быстрых и меньших по размеру схем. Тепловыделяющие элементы в настоящее время могут быть более плотно упакованы. Следовательно, теплопередача должна быть более эффективной, т.е. избыток тепла от локальных точек перегрева необходимо отводить быстро. Основные требования для теплопоглощающего материала - это высокая теплопроводность, коэффициент теплового расширения, близкий к коэффициенту теплового расширения Si, и низкий удельный вес (см., MRS Bulletin, Volume 26, №6, июнь 2001). В данном случае алмаз мог бы быть использован сам по себе в качестве очевидного материала для поглотителей тепла.In the electronics industry, the need for better heat sinks is growing due to the development of faster and smaller circuits. Fuel elements may now be more densely packed. Therefore, heat transfer should be more efficient, i.e. excess heat from local overheating points must be removed quickly. The main requirements for a heat-absorbing material are high thermal conductivity, a coefficient of thermal expansion close to the coefficient of thermal expansion of Si, and low specific gravity (see MRS Bulletin, Volume 26, No. 6, June 2001). In this case, diamond could be used on its own as an obvious material for heat sinks.
Алмаз, как известно, имеет хорошие теплопроводящие свойства (500-2000 Вт/(м·К)) и был бы идеальным материалом для поглотителя тепла, если бы не его стоимость и проблемы производства подходящих форм. По-прежнему много поглотителей тепла производится с использованием алмаза. Существуют различные способы введения алмаза: в виде монокристаллов алмаза, алмазных CVD-покрытий и алмазных композитов.Diamond, as you know, has good heat-conducting properties (500-2000 W / (m · K)) and would be an ideal material for a heat absorber, if not for its cost and the problems of producing suitable forms. Still, many heat sinks are made using diamond. There are various ways of introducing diamond: in the form of single crystals of diamond, diamond CVD coatings and diamond composites.
В патенте США №6031285 (Sumitomo) описан поглотитель тепла для полупроводников, имеющий структуру, которая содержит по меньшей мере один металл (А), выбранный из группы, включающей в себя Cu, Ag, Au, Al, Mg и Zn; карбид (B'), полученный из по меньшей мере одного металла (В), выбранного из группы, включающей в себя группы 4а и 5а Периодической таблицы и хром; и множество частиц алмаза. Поглотитель тепла имеет структуру, в которой более четверти поверхности отдельных алмазных частиц покрыта карбидом металла (B'), и алмазные частицы, покрытые карбидом металла (B'), отделены друг от друга металлом (А). Теплопередача осуществляется от алмаза к металлу (А). Теплопроводящие характеристики находятся в интервале от 230 до 730 Вт/(м·К), причем наименьшее значение достигается тогда, когда металл А состоит из Ag, Cu и Mg, а наибольшее значение достигается тогда, когда металл А состоит преимущественно из Ag и небольшого количества Cu. Недостатками изобретения являются: низкие теплопроводящие свойства при использовании Al, Mg и Zn, и высокая стоимость при использовании Ag и Au.US Pat. No. 6,031,285 (Sumitomo) describes a heat sink for semiconductors having a structure that contains at least one metal (A) selected from the group consisting of Cu, Ag, Au, Al, Mg and Zn; carbide (B ') obtained from at least one metal (B) selected from the group consisting of groups 4a and 5a of the Periodic Table and chromium; and lots of diamond particles. The heat absorber has a structure in which more than a quarter of the surface of individual diamond particles is coated with metal carbide (B '), and diamond particles coated with metal carbide (B') are separated from each other by metal (A). Heat transfer is from diamond to metal (A). The heat-conducting characteristics are in the range from 230 to 730 W / (m · K), and the lowest value is achieved when metal A consists of Ag, Cu and Mg, and the highest value is achieved when metal A consists mainly of Ag and a small amount Cu. The disadvantages of the invention are: low heat conductive properties when using Al, Mg and Zn, and high cost when using Ag and Au.
В патенте США №6171691 (Sumitomo) описан материал, в котором частицы алмаза окружены карбидом металла, карбид металла и алмазы образуют скелет, а промежутки в этом скелете заполнены металлом. Вначале первый металлический сплав, содержащий небольшое количество образующего карбид компонента, проникает между алмазами, которые помещены в форму. Образующий карбид компонент реагирует с алмазами и образует карбид на поверхности алмазов. Карбид вместе с алмазом образует связанную структуру. «Носитель» в металлическом сплаве либо отверждается между покрытыми карбидом алмазами, либо испаряется. Затем второй металлический сплав просачивается в свободные промежутки пористого тела. После этого тело вынимают из формы. Металл представляет собой по меньшей мере один металл из Ag, Cu, Au и Al, а образующий карбид компонент представляет собой по меньшей мере один металл из Ti, Zr и Hf. Теплопередача осуществляется от алмаза через карбид к металлу. Теплопроводящие свойства находятся в интервале от 300 до 900 Вт/(м·К). Недостатками этого материала являются сложная технология и высокая стоимость продукта.US Pat. No. 6,171,691 (Sumitomo) describes a material in which diamond particles are surrounded by metal carbide, metal carbide and diamonds form a skeleton, and the gaps in this skeleton are filled with metal. Initially, a first metal alloy containing a small amount of a carbide forming component penetrates between diamonds that are placed in the mold. The carbide forming component reacts with diamonds and forms carbide on the surface of the diamonds. Carbide together with diamond forms a bonded structure. A “carrier” in a metal alloy either cures between carbide-coated diamonds or evaporates. Then the second metal alloy seeps into the free spaces of the porous body. After that, the body is removed from the mold. The metal is at least one metal of Ag, Cu, Au and Al, and the carbide-forming component is at least one metal of Ti, Zr and Hf. Heat transfer is from diamond through carbide to metal. Thermal conductivity is in the range from 300 to 900 W / (m · K). The disadvantages of this material are complex technology and the high cost of the product.
Как патент США №6031285, так и патент США №6171691 предупреждают против использования образующего карбид компонента в качестве единственного наполняющего элемента, причем причиной является то, что образующий карбид элемент сам по себе имеет низкую теплопроводность, что снижало бы теплопроводность заявляемого материала в целом.Both US Pat. No. 6,031,285 and US Pat. No. 6,171,691 warn against the use of a carbide forming component as the sole filler element, the reason being that the carbide forming element itself has low thermal conductivity, which would reduce the thermal conductivity of the inventive material as a whole.
В патенте США №5783316 (University of California Oakland) раскрыт композит алмаз-медь-серебро. Материал состоит из алмазных частиц, связанных вместе медью или медными сплавами. Теплопроводность этого материала находится между теплопроводностью алмазных частиц и теплопроводностью меди. Для того чтобы получить более высокую адгезию медного сплава к алмазным частицам, последние покрывают тонким слоем карбидобразующего металла. Недостатками этого материала являются довольно высокая плотность, обусловленная медью, и высокий коэффициент линейного теплового расширения, который также определяется медью. Высокое тепловое расширение приводит к значительной деформации изделия при повышенных температурах. Кроме того, данный материал, как и чистая медь сама по себе, не устойчив к окислению.US Pat. No. 5,783,316 (University of California Oakland) discloses a diamond-copper-silver composite. The material consists of diamond particles bonded together by copper or copper alloys. The thermal conductivity of this material is between the thermal conductivity of diamond particles and the thermal conductivity of copper. In order to obtain higher adhesion of the copper alloy to diamond particles, the latter is coated with a thin layer of carbide-forming metal. The disadvantages of this material are a rather high density due to copper and a high coefficient of linear thermal expansion, which is also determined by copper. High thermal expansion leads to significant deformation of the product at elevated temperatures. In addition, this material, like pure copper in itself, is not resistant to oxidation.
Существует ряд патентов, описывающих алмазные композиты, которые не предназначены для применения преимущественно в теплообменных процессах. Основные области применения материалов такого типа составляют инструменты для резки и абразивной обработки. Несколько патентов описывают методики получения материалов, содержащих алмазы, карбид кремния и кремний, с использованием методов высокого давления.There are a number of patents describing diamond composites that are not intended to be used primarily in heat transfer processes. The main applications of this type of material are cutting and abrasive tools. Several patents describe techniques for producing materials containing diamonds, silicon carbide, and silicon using high pressure methods.
В патенте США №4151686 описан один такой высокотемпературный метод высокого давления, в котором высокое давление используется на стадии спекания для того, чтобы остаться в области стабильности алмаза на фазовой диаграмме при 1300-1600°С, причем спекание проводят в камерах высокого давления с давлением 30000-60000 атм. Только специально изготовленные прессы и пресс-формы обеспечивают требуемое экстремально высокое давление. Следствием этого является высокая стоимость производства, ограниченная производительность и ограниченные формы и размеры тел из алмазных композитов. Материал, получаемый в соответствии с указаниями патента США №4151686, содержит по меньшей мере от 80 до 95 об.% алмазов с большим количеством связей алмаз-алмаз. Высокое содержание алмаза делает материал твердым, но также хрупким и чувствительным к механическим ударам.US Pat. No. 4,151,686 describes one such high-temperature high-pressure method in which high pressure is used in the sintering stage in order to remain in the diamond stability region in the phase diagram at 1300-1600 ° C, and sintering is carried out in high-pressure chambers with a pressure of 30000 -60000 atm. Only specially made presses and molds provide the required extremely high pressure. The consequence of this is the high cost of production, limited productivity and limited shapes and sizes of bodies made of diamond composites. The material obtained in accordance with the instructions of US patent No. 4151686, contains at least 80 to 95 vol.% Diamonds with a large number of diamond-diamond bonds. The high diamond content makes the material hard, but also brittle and susceptible to mechanical shock.
Другой материал, производимый высокотемпературными методами высокого давления, представляет собой Syndax3 фирмы De Beers. Это материал предназначен для абразивной обработки (истирания), такого как сверление камня. Материал состоит из алмазных частиц и SiC, спеченных вместе. Согласно публикации «The Industrial Diamond Review», №6, 1985, материал Syndax3 имеет контакт алмаз-алмаз. Можно предположить, что контакт алмаз-алмаз мог бы быть полезен для теплопроводящих свойств. Несмотря на это, согласно проведенным Заявителем измерениям Syndax3 имеет коэффициент температуропроводности не более 1,442 см2/сек и теплопроводность не более 265 Вт/(м·К).Another material produced by high temperature high pressure methods is De Beers Syndax3. This material is intended for abrasive processing (abrasion), such as drilling a stone. The material consists of diamond particles and SiC sintered together. According to The Industrial Diamond Review, No. 6, 1985, Syndax3 has a diamond-diamond contact. It can be assumed that the diamond-diamond contact could be useful for heat-conducting properties. Despite this, according to the measurements made by the Applicant, Syndax3 has a thermal diffusivity of not more than 1.442 cm 2 / s and a thermal conductivity of not more than 265 W / (m · K).
Несколько патентов раскрывают технологии получения материалов, содержащих алмаз, карбид кремния и кремний, без использования высокого давления. Существует ряд вариантов процесса, связанных главным образом с использованием различных углеродистых материалов (здесь и далее относимых ко всем неалмазным углеродным материалам типа углеродной сажи, углеродных волокон, кокса, графита, пироуглерода и т.д.). В принципе, проводятся следующие стадии.Several patents disclose technologies for producing materials containing diamond, silicon carbide and silicon, without the use of high pressure. There are a number of process options related mainly to the use of various carbon materials (hereinafter referred to all non-diamond carbon materials such as carbon black, carbon fibers, coke, graphite, pyrocarbon, etc.). In principle, the following stages are carried out.
А. Не покрытые алмазные частицы или, что бывает чаще, покрытые углеродом алмазные частицы, а также углеродистые материалы используются в качестве материалов-предшественников. Согласно примерам патента США №4220455 способ начинается с нанесения тонкого слоя (500-1000 Ангстрем) углерода на алмазы с помощью пиролитической реакции. Пиролиз проводят в вакууме в течение нескольких минут путем подачи природного газа или метана в печи с алмазными частицами при 1200°С. Иногда используют алмазы без слоя пиролитического углерода, как в патенте США №4381271, ЕРО 0043541, ЕРО 0056596 и JP 6-199571 А. Как покрытые углеродом, так и не покрытые алмазы смешивают с углеродистыми материалами в качестве основного источника углерода, например, с углеродной сажей, короткими углеродными волокнами или тканью и связующим веществом, до того, как формируется сырое тело.A. Uncoated diamond particles or, more often, carbon coated diamond particles, as well as carbon materials, are used as precursor materials. According to the examples of US patent No. 4220455, the method begins by applying a thin layer (500-1000 Angstroms) of carbon to diamonds using a pyrolytic reaction. Pyrolysis is carried out in vacuum for several minutes by supplying natural gas or methane in a furnace with diamond particles at 1200 ° C. Diamonds without a pyrolytic carbon layer are sometimes used, as in US Pat. No. 4,381,271, EPO 0043541, EPO 0056596 and JP 6-199571 A. Both carbon coated and uncoated diamonds are mixed with carbon materials as the main carbon source, for example, carbon soot, short carbon fibers, or cloth and a binder before a damp body is formed.
В. Формирование сырых тел из смеси алмазные частицы/углеродистый материал проводят в форме. Сырые тела содержат дополнительные растворители и временные или постоянные связующие вещества для облегчения формования и повышения прочности сырых тел.B. The formation of the crude bodies from a mixture of diamond particles / carbon material is carried out in a mold. Crude bodies contain additional solvents and temporary or permanent binders to facilitate molding and increase the strength of the crude bodies.
С. Заготовки получают тепловой обработкой сырых тел. Некоторые связующие вещества испаряются без всяких остатков, например парафин, в то время как другие связующие вещества отверждаются, оставляя углеродистый остаток в заготовке, например фенол-формальдегидные и эпоксидные смолы.C. Billets are obtained by heat treatment of crude bodies. Some binders evaporate without residue, such as paraffin, while other binders cure, leaving a carbon residue in the preform, such as phenol-formaldehyde and epoxy resins.
D. Просачивание в пористую заготовку расплавленного кремния проводят с образованием карбида кремния по реакции между углеродом и кремнием. Тепловую обработку проводят таким образом, чтобы свести до минимума превращение алмаза в графит, которое считается вредным. В примерах патента США №4220455 просачивание кремния проводят в вакууме, когда тело находится в форме, при температуре между 1400 и 1550°С в течение 15 мин, причем в течение указанного времени реакция между кремнием и углеродом заканчивается. В патенте США №4242106 во время просачивания используют вакуум 0,01-2,0 мм рт.ст. Требуемое время, в зависимости главным образом от размера тела, определяют эмпирически, и оно составляет приблизительно 15-20 мин при температуре выше 1400°С или 10 минут при 1500°С. В патенте США №4381271 используют углеродное волокно для того, чтобы ускорить просачивание жидкого кремния за счет действия капиллярных сил. В большинстве патентов просачивание проводят в форме. В некоторых более ранних патентах просачивание проводят вне формы, как в патенте ЕРО 0043541.D. Leakage of molten silicon into a porous preform is carried out to form silicon carbide by reaction between carbon and silicon. Heat treatment is carried out in such a way as to minimize the conversion of diamond into graphite, which is considered harmful. In the examples of US patent No. 4220455, silicon is permeated in vacuum when the body is in shape, at a temperature between 1400 and 1550 ° C for 15 minutes, and during the specified time, the reaction between silicon and carbon ends. US Pat. No. 4,242,106 uses a vacuum of 0.01-2.0 mm Hg during seepage. The required time, depending mainly on body size, is determined empirically, and it is approximately 15-20 minutes at temperatures above 1400 ° C or 10 minutes at 1500 ° C. In US patent No. 4381271 use carbon fiber in order to accelerate the leakage of liquid silicon due to the action of capillary forces. In most patents, seepage is carried out in the form. In some earlier patents, seepage is carried out out of shape, as in EPO 0043541.
Ни в одном из описанных выше способов получения композитов алмаз/карбид кремния/кремний не используется умышленная графитизация.None of the methods described above for producing diamond / silicon carbide / silicon composites use intentional graphitization.
В патенте RU 2036779 из алмазного порошка сначала формируют предварительную заготовку, при необходимости вместе с водой или этиловым спиртом. Предварительную заготовку помещают в печь и пропитывают жидким кремнием при 1420-1700°С в аргоне или вакууме. В этом способе поверхность алмазных зерен подвергается минимальной графитизации, так что большая часть алмаза остается неизменной. Это небольшое количество графита реагирует при контакте с просочившимся кремнием, создавая тонкий слой карбида кремния, который предупреждает любое дополнительное превращение алмаза в графит во время используемого процесса. Недостаток этого способа заключается в плохом контроле и отсутствии способа регулирования количества получаемого SiC, остаточного кремния или остаточной пористости, остающейся в композите.In the patent RU 2036779, a preliminary blank is first formed from diamond powder, if necessary together with water or ethyl alcohol. The preform is placed in an oven and impregnated with liquid silicon at 1420-1700 ° C in argon or vacuum. In this method, the surface of the diamond grains undergoes minimal graphitization, so that most of the diamond remains unchanged. This small amount of graphite reacts on contact with leaked silicon, creating a thin layer of silicon carbide that prevents any additional conversion of diamond into graphite during the process used. The disadvantage of this method is poor control and the absence of a method for controlling the amount of SiC, residual silicon, or residual porosity remaining in the composite.
В публикациях WO 99/12866 и WO 00/18702 раскрыты способы получения композита алмаз-SiC-Si. Получаемые композиты состоят из алмазных частиц в матрице SiC и Si или сплава Si в следующих пропорциях: алмазные частицы составляют по меньшей мере 20 об.%, а SiC составляет по меньшей мере 5 об.%. Композит имеет прекрасное сочетание свойств, таких как низкая плотность, высокий модуль упругости, низкий коэффициент теплового расширения, при этом он устойчив к окислению. Однако теплопроводность материала не является достаточно высокой для того, чтобы решить проблему потребности в более хороших поглотителях тепла для электронной промышленности.WO 99/12866 and WO 00/18702 disclose methods for producing a diamond-SiC-Si composite. The resulting composites consist of diamond particles in a SiC and Si matrix or Si alloy in the following proportions: diamond particles comprise at least 20 vol.%, And SiC is at least 5 vol.%. The composite has an excellent combination of properties, such as low density, high modulus of elasticity, low coefficient of thermal expansion, while it is resistant to oxidation. However, the thermal conductivity of the material is not high enough to solve the problem of the need for better heat sinks for the electronics industry.
Цель настоящего изобретения состоит в создании материала, который имел бы при комнатной температуре коэффициент теплопроводности по меньшей мере 400 Вт/(м·К) и температуропроводность по меньшей мере 2,1 см2/сек, который мог бы быть получен эффективным с точки зрения стоимости способом в виде изделия желаемой формы.An object of the present invention is to provide a material that has at room temperature a thermal conductivity of at least 400 W / (m · K) and a thermal diffusivity of at least 2.1 cm 2 / s that can be obtained cost-effective in the form of a product of the desired shape.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Указанная цель в соответствии с настоящим изобретением достигается с помощью теплопроводящего композитного материала, изготовленного из смеси алмазных частиц и содержащего алмазные частицы, карбид кремния и кремний или сплав кремния, при этом карбид кремния образует взаимосвязанную скелетную структуру, окружающую каждую отдельную алмазную частицу, а кремний или сплав кремния заполняет промежутки скелета из карбида кремния, причем преобразованный алмаз является единственным источником углерода в материале, и указанный теплопроводящий материал имеет содержание алмаза по меньшей мере 58 об.% и самое большее 81 об.%, содержание карбида кремния по меньшей мере 3 об.% и самое большее 39 об.%, и содержание кремния или сплава кремния самое большее 41 об.%, а алмазные частицы состоят по меньшей мере из двух фракций с различным размером частиц, причем по меньшей мере 50 масс.% частиц в смеси алмазных частиц, из которых изготовлен теплопроводящий материал, имеют диаметр 80 мкм или более, в результате чего теплопроводящий материал имеет температуропроводность по меньшей мере 2,1 см2/сек и теплопроводность по меньшей мере 400 Вт/(м·К).This goal in accordance with the present invention is achieved using a heat-conducting composite material made from a mixture of diamond particles and containing diamond particles, silicon carbide and silicon or a silicon alloy, while silicon carbide forms an interconnected skeletal structure surrounding each individual diamond particle, and silicon or a silicon alloy fills the gaps of the skeleton of silicon carbide, and the converted diamond is the only source of carbon in the material, and the specified heat transfer The material has a diamond content of at least 58 vol.% and at most 81 vol.%, a silicon carbide content of at least 3 vol.% and at most 39 vol.%, and a silicon or silicon alloy content of at most 41 vol.% and the diamond particles consist of at least two fractions with different particle sizes, with at least 50 wt.% of the particles in the mixture of diamond particles of which the heat-conducting material is made, have a diameter of 80 μm or more, as a result of which the heat-conducting material has a thermal diffusivity at least 2.1 cm 2 / sec and those conductivities of at least 400 W / (m · K).
В предпочтительном варианте содержание азота в алмазной фракции с наибольшим диаметром составляет 300 ч/млн (частей на миллион по массе) или менее, а теплопроводность составляет по меньшей мере 430 Вт/(м·К).In a preferred embodiment, the nitrogen content in the diamond fraction with the largest diameter is 300 ppm (parts per million by weight) or less, and the thermal conductivity is at least 430 W / (m · K).
В другом предпочтительном варианте изобретения содержание азота в алмазной фракции с наибольшим диаметром составляет 130 ч/млн или менее, а теплопроводность составляет по меньшей мере 490 Вт/(м·К).In another preferred embodiment of the invention, the nitrogen content in the diamond fraction with the largest diameter is 130 ppm or less, and the thermal conductivity is at least 490 W / (m · K).
В еще одном предпочтительном варианте изобретения содержание азота в алмазной фракции с наибольшим диаметром составляет 80 ч/млн или менее, а теплопроводность составляет по меньшей мере 550 Вт/(м·К).In another preferred embodiment of the invention, the nitrogen content in the diamond fraction with the largest diameter is 80 ppm or less, and the thermal conductivity is at least 550 W / (m · K).
В еще одном предпочтительном варианте изобретения сплав кремния содержит по меньшей мере один металл из группы, включающей в себя Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Al, Ge, причем в материал может быть включено небольшое количество соединения металл-углерод, содержащего по меньшей мере один металл из группы, включающей в себя Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Al, Ge. В этом варианте изобретения содержание азота в алмазной фракции с наибольшим диаметром составляет предпочтительно 100 ч/млн или менее, а теплопроводность составляет по меньшей мере 500 Вт/(м·К).In another preferred embodiment of the invention, the silicon alloy contains at least one metal from the group comprising Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Al, Ge, moreover, a small amount of a metal-carbon compound containing at least one metal from the group including Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn can be included in the material , Re, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Al, Ge. In this embodiment of the invention, the nitrogen content in the diamond fraction with the largest diameter is preferably 100 ppm or less, and the thermal conductivity is at least 500 W / (m · K).
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Изобретение далее описано с помощью чертежей, из которых:The invention is further described using the drawings, of which:
Фиг.1 представляет собой полученную с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) фотографию поперечного сечения разломленного материала в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.Figure 1 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a cross section of a fractured material in accordance with one embodiment of the invention.
Фиг.2 представляет собой полученную с помощью СЭМ фотографию в увеличенном масштабе поперечного сечения разломленного материала в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.Figure 2 is an SEM photograph of an enlarged cross-sectional view of a fractured material in accordance with one embodiment of the invention.
Описание вариантов осуществления изобретенияDescription of Embodiments
Материал в соответствии с настоящим изобретением получен способами, представленными в публикациях WO 99/12866 и WO 00/18702. Эти способы включают в себя следующие стадии:The material in accordance with the present invention was obtained by the methods presented in publications WO 99/12866 and WO 00/18702. These methods include the following steps:
1. Формирование пористой заготовки из смеси, содержащей алмазные частицы.1. The formation of a porous preform from a mixture containing diamond particles.
2. Тепловая обработка заготовки и регулирование температуры нагревания и времени нагревания так, чтобы за счет графитизации алмазных частиц образовывалось некоторое желаемое количество графита, в результате чего образуется промежуточное тело.2. Heat treatment of the workpiece and regulation of the heating temperature and heating time so that due to the graphitization of the diamond particles a certain desired amount of graphite is formed, as a result of which an intermediate body is formed.
3. Просачивание расплавленного кремния или, альтернативно, сплава кремния в промежуточное тело.3. Leakage of molten silicon or, alternatively, a silicon alloy into the intermediate body.
4. Взаимодействие расплавленного кремния и графита с образованием SiC.4. The interaction of molten silicon and graphite with the formation of SiC.
С помощью производственного процесса, описанного выше, получают изделие заранее определенной формы. Во время процесса от формирования заготовки до конечного продукта на макроскопическом уровне отсутствуют усадка, набухание и деформация (перекашивание). Упомянутые выше публикации WO 99/12866 и WO 00/18702 описывают дополнительные детали способов, и их содержание включено в данную работу.Using the manufacturing process described above, a product of a predetermined shape is obtained. During the process from the formation of the preform to the final product at a macroscopic level, there is no shrinkage, swelling and deformation (warping). The above-mentioned publications WO 99/12866 and WO 00/18702 describe additional details of the methods, and their contents are included in this work.
В дальнейшем:Further:
Сырая плотность = масса сырого тела/объем сырого тела.Crude density = wet body weight / wet body volume.
Относительная сырая плотность=сырая плотность/теоретическая плотность алмаза; иRelative wet density = wet density / theoretical density of diamond; and
Пористость = 1 - относительная сырая плотность.Porosity = 1 - relative wet density.
Заготовку формируют из смеси алмазных частиц, имеющих минимальный размер 6 мкм, причем заготовку готовят с относительной сырой плотностью в по меньшей мере 60%. Алмазная смесь состоит по меньшей мере из двух фракций с различными размерами алмазных частиц. Из содержащегося в заготовке алмаза по меньшей мере 50% должны иметь диаметр 80 мкм или более. Использование по меньшей мере двух различных фракций с разными размерами алмазных частиц необходимо для того, чтобы достичь степени упаковки в заготовке, которая в спеченной прессовке дает достаточно высокую концентрацию алмаза (то есть имеет место короткий путь перемещения фононов между алмазами), что обеспечивает желаемый уровень температуропроводности и теплопроводности. Содержание алмаза в заготовке составляет по меньшей мере 95 масс.%, то есть может быть использовано небольшое количество связующего вещества.The preform is formed from a mixture of diamond particles having a minimum size of 6 μm, the preform being prepared with a relative crude density of at least 60%. The diamond mixture consists of at least two fractions with different sizes of diamond particles. Of the diamond contained in the preform, at least 50% must have a diameter of 80 μm or more. The use of at least two different fractions with different sizes of diamond particles is necessary in order to achieve the degree of packing in the workpiece, which in the sintered compact gives a sufficiently high concentration of diamond (i.e. there is a short path of phonon movement between diamonds), which ensures the desired level of thermal diffusivity and thermal conductivity. The diamond content in the preform is at least 95 wt.%, That is, a small amount of a binder can be used.
Формование заготовки осуществляют известными способами, такими как литье прессованной ленты, шликерное литье или формование геля, с использованием обычного оборудования.The preform is molded by known methods, such as injection molding, slip casting or gel molding using conventional equipment.
Суммарная продолжительность тепловой обработки алмазного тела составляет столько времени, сколько необходимо для того, чтобы масса алмаза в указанном теле уменьшилась на желаемую величину вследствие графитизации алмазных частиц. Примером тепловой обработки является нагревание заготовки до температуры между 1000 и 1900°С в вакууме или в инертной атмосфере.The total duration of the heat treatment of the diamond body is as much time as necessary so that the mass of diamond in the specified body is reduced by the desired value due to the graphitization of diamond particles. An example of heat treatment is heating a workpiece to a temperature between 1000 and 1900 ° C in a vacuum or in an inert atmosphere.
Пропитку расплавленным Si или сплавом Si проводят такими известными способами, как плавление твердого образца на поверхности заготовки и подача уже расплавленного Si или сплава Si на поверхность заготовки, или же путем погружения заготовки в расплав Si или сплав кремния. По мере просачивания расплава в заготовку он реагирует с графитом и образует SiC или фазу SiC, включающую в себя элементы, являющиеся компонентами сплава. Образовавшаяся фаза карбида кремния и небольшое количество фазы непрореагировавшего кремния или сплава кремния заполняют пористое пространство заготовки.Impregnation with molten Si or Si alloy is carried out by such known methods as melting a solid sample on the surface of the workpiece and feeding the already molten Si or Si alloy to the surface of the workpiece, or by immersing the workpiece in a molten Si or silicon alloy. As the melt seeps into the preform, it reacts with graphite and forms a SiC or SiC phase, which includes elements that are components of the alloy. The resulting silicon carbide phase and a small amount of unreacted silicon or silicon alloy phase fill the porous space of the preform.
Тепловую обработку и пропитку можно успешно проводить в той же самой печи.Heat treatment and impregnation can be successfully carried out in the same furnace.
Используемый просачивающийся расплав может представлять собой сплав кремния, содержащий по меньшей мере один металл, выбранный из группы, включающей в себя Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Al и Ge. В этом случае могут образоваться небольшие количества вторичной фазы из таких соединений, как силициды металлов, карбиды металлов и т.д.The leaking melt used may be a silicon alloy containing at least one metal selected from the group consisting of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Co, Ni Cu, Ag, Al, and Ge. In this case, small amounts of the secondary phase may form from compounds such as metal silicides, metal carbides, etc.
Таким образом, спеченный композитный материал состоит из трех основных фаз: алмазной фазы, фазы карбида кремния вокруг алмазных частиц и фазы непрореагировавшего кремния или сплава кремния между областями карбида кремния. На Фиг.1 представлен вид обычного поперечного сечения материала, полученного с помощью способа, описанного выше в соответствии с вариантом настоящего изобретения, наблюдаемый с помощью обратного рассеивания электронов в сканирующем электронном микроскопе. Темные частицы представляют собой алмаз, серый скелет представляет собой SiC, и белые пятна соответствуют участкам кремния. Начальный состав алмазного порошка был таким: 75 масс.% D8(150 мкм) + 20 масс.% D31(20 мкм + 5 масс.% D32(7 мкм), где обозначения D8, D31 и D32 представляют собой сокращенные названия различных используемых алмазов, а различные средние размеры используемых частиц указаны в скобках. Карбид кремния, который образуется по реакции между графитизированным алмазом и расплавом, покрывает и окружает каждую отдельную частицу алмаза. Фаза SiC образует взаимосвязанную скелетную структуру, которая охватывает со всех сторон частицы алмаза. На Фиг.2 представлен более увеличенный вид типичного поперечного сечения второго варианта материала в соответствии с настоящим изобретением, содержащего 200-250 мкм алмазы (диаметры наиболее крупных частиц), для иллюстрации плотной (тесной) связи алмазов и SiC, окружающего алмазы. В композитном материале фактически нет контактов алмаз-алмаз. Из-за того, что SiC имеет больший коэффициент теплового расширения, чем коэффициент термического расширения алмаза, SiC в процессе охлаждения по окончании тепловой обработки стремится к сокращению в большей степени, чем алмазные частицы. При температурах ниже той температуры, при которой образуется SiC, окружающий отдельные алмазные частицы SiC будет оказывать сжимающее усилие на каждую частицу. Полагают, что это вносит некоторый вклад в неожиданно хорошую теплопроводность материала в соответствии с настоящим изобретением. Кремний или непрореагировавший сплав кремния вместе с возможными небольшими количествами соединений вторичной фазы, такими как карбиды металлов, силициды металлов и другие, расположены на участках внутри или между карбидом кремния, который охватывает алмазные частицы. Спеченный композитный материал содержит указанные фазы в следующих пропорциях: алмазы 58-81 об.%, Si или сплав Si максимально 39 об.%, и SiC 3-41 об.%.Thus, the sintered composite material consists of three main phases: the diamond phase, the phase of silicon carbide around the diamond particles and the phase of unreacted silicon or silicon alloy between the regions of silicon carbide. Figure 1 presents a view of a conventional cross-section of a material obtained using the method described above in accordance with a variant of the present invention, observed using backscattering of electrons in a scanning electron microscope. Dark particles are diamond, gray skeleton is SiC, and white spots correspond to areas of silicon. The initial composition of the diamond powder was as follows: 75 wt.% D8 (150 microns) + 20 wt.% D31 (20 microns + 5 wt.% D32 (7 microns), where the designations D8, D31 and D32 are abbreviations of the various diamonds used , and the different average sizes of the particles used are indicated in parentheses. Silicon carbide, which is formed by the reaction between graphitized diamond and the melt, covers and surrounds each individual diamond particle. The SiC phase forms an interconnected skeletal structure that encompasses diamond particles on all sides. 2 presents more A typical cross-sectional view of a second embodiment of a material in accordance with the present invention containing 200-250 μm diamonds (diameters of the largest particles) to illustrate the tight bond between the diamonds and the SiC surrounding the diamonds. In fact, the composite material has no diamond-diamond contacts Due to the fact that SiC has a larger coefficient of thermal expansion than the coefficient of thermal expansion of diamond, SiC tends to reduce to a greater extent than diamond particles after cooling after the heat treatment. At temperatures below that temperature at which SiC is formed, the surrounding SiC diamond particles will exert a compressive force on each particle. It is believed that this contributes to the unexpectedly good thermal conductivity of the material in accordance with the present invention. Silicon or unreacted silicon alloy, together with possible small amounts of secondary phase compounds, such as metal carbides, metal silicides and others, are located in areas within or between silicon carbide that encompasses diamond particles. Sintered composite material contains the indicated phases in the following proportions: diamonds 58-81 vol.%, Si or Si alloy maximum 39 vol.%, And SiC 3-41 vol.%.
Границы содержания алмаза были определены эмпирически. Концентрация алмаза ниже 58 об.% в конечном теле приводит к слишком низкой теплопроводности. Концентрацию алмаза свыше 79 об.% трудно получить с помощью используемой технологии формования. Более того, концентрация алмаза свыше 79 об.% создает проблемы во время просачивания расплава, так как вся заготовка не может быть полностью заполнена расплавом, и это приводит к плохим свойствам конечного композита, как термическим, так и механическим. Однако с помощью специальных технологий формования и технологий просачивания при содействии умеренного давления концентрация алмаза в конечной основе может быть немного повышена, при этом может быть получена концентрация алмаза 81 об.%.The limits of diamond content were determined empirically. A diamond concentration below 58 vol.% In the final body leads to too low thermal conductivity. A diamond concentration in excess of 79% by volume is difficult to obtain using the molding technique used. Moreover, a diamond concentration of more than 79 vol.% Creates problems during melt percolation, since the entire workpiece cannot be completely filled with the melt, and this leads to poor properties of the final composite, both thermal and mechanical. However, using special molding techniques and percolation technologies, with moderate pressure, the concentration of diamond in the final base can be slightly increased, while a diamond concentration of 81 vol.% Can be obtained.
Для получения высокого значения теплопроводности композитного материала критической является хорошая адгезия между различными фазами (см., Handbook of industrial diamonds and diamond films, pages 184). Графитовый слой, образованный на поверхности алмазных частиц, имеет очень хорошую адгезию к алмазу, так как графит является преобразованным алмазом. Когда расплав кремния реагирует с указанным графитом, образованный карбид кремния наследует очень хорошую адгезию к алмазу, при этом образуется прочная связь между карбидом и алмазом. Когда зародышеобразование карбида кремния происходит на поверхности графита, который образован в результате графитизации алмаза, получаемый карбид кремния растет эпитаксиально, то есть растущий на алмазе кристалл карбида кремния следует (соответствует) кристаллографической ориентации алмаза. Модель, по которой образуется карбид кремния, а также прочная связь между алмазными частицами и окружающим их карбидом кремния, как полагают, являются решающими факторами для получения удивительно высокой теплопроводности материала в соответствии с настоящим изобретением. В материале согласно настоящему изобретению получают длинный свободный путь для переноса фононов. В таблице 3 показано, что теплопроводность зависит от того, как углерод, который образует карбид кремния, введен в материалы с идентичными по всем другим позициям исходными составами.To obtain a high thermal conductivity of a composite material, good adhesion between the various phases is critical (see Handbook of industrial diamonds and diamond films, pages 184). The graphite layer formed on the surface of the diamond particles has very good adhesion to diamond, since graphite is a transformed diamond. When the silicon melt reacts with said graphite, the formed silicon carbide inherits very good adhesion to diamond, and a strong bond forms between the carbide and diamond. When nucleation of silicon carbide occurs on the surface of graphite, which is formed as a result of graphitization of diamond, the resulting silicon carbide grows epitaxially, that is, a silicon carbide crystal growing on a diamond follows (corresponds to) the crystallographic orientation of diamond. The model by which silicon carbide is formed, as well as the strong bond between the diamond particles and the surrounding silicon carbide, are believed to be critical factors for obtaining the surprisingly high thermal conductivity of the material in accordance with the present invention. A long free path for phonon transfer is obtained in the material according to the present invention. Table 3 shows that thermal conductivity depends on how the carbon that forms silicon carbide is introduced into materials with the original compositions identical in all other positions.
Хорошее качество исходных материалов, алмазов, а также кремния является существенным для достижения максимальных уровней температуропроводности и теплопроводности. Примеры важных параметров качества алмаза являются низкие содержания кобальта, никеля и азота в объеме алмаза. Хорошо известно, что низкий уровень азота обеспечивает хорошую теплопроводность. Положительный результат наблюдается, если содержание азота в алмазных частицах крупного размера составляет 300 ч/млн или менее, предпочтительно 100 ч/млн или менее. Очень высокие значения теплопроводности достигаются, когда содержание азота составляет 80 ч/млн или менее.The good quality of the starting materials, diamonds, and also silicon is essential to achieve maximum levels of thermal diffusivity and thermal conductivity. Examples of important diamond quality parameters are the low levels of cobalt, nickel and nitrogen in the diamond volume. It is well known that low nitrogen provides good thermal conductivity. A positive result is observed if the nitrogen content in the large diamond particles is 300 ppm or less, preferably 100 ppm or less. Very high thermal conductivities are achieved when the nitrogen content is 80 ppm or less.
Графитизация поверхностей алмаза оказывает положительный эффект с точки зрения физических дефектов поверхности алмазных частиц, вызываемых различными видами механической обработки типа измельчения или просеивания. Графитизация преобразует дефектные слои на поверхности алмаза, в результате обеспечивая улучшение пути переноса фононов.Graphitization of diamond surfaces has a positive effect in terms of physical defects in the surface of diamond particles caused by various types of machining such as grinding or sieving. Graphitization transforms the defective layers on the diamond surface, resulting in an improvement in the phonon transfer path.
Неожиданно установлено, что прямое связывание между алмазами не является необходимым для достижения хорошей теплопроводности. Более существенным является наличие пути переноса фононов высокого качества. Это иллюстрируется приведенными ниже примерами.Surprisingly, direct binding between diamonds is not necessary to achieve good thermal conductivity. More significant is the presence of a phonon transfer path of high quality. This is illustrated by the examples below.
В таблицах 1 и 2 представлены значения температуропроводности и теплопроводности для ряда композиций с различными фазами. В таблице 1 сделан акцент на установленные уровни алмаза, а в таблице 2 важным является размер алмазных частиц. Обозначения D1, D2 и так далее представляют собой сокращенные названия различных алмазов, а средний размер частиц указан в скобках.Tables 1 and 2 show the values of thermal diffusivity and thermal conductivity for a number of compositions with different phases. Table 1 focuses on the established diamond levels, and in table 2 the size of the diamond particles is important. The designations D1, D2 and so on are abbreviated names of various diamonds, and the average particle size is indicated in parentheses.
Фазовый состав спеченных образцов, приведенный в таблицах 1 и 2, является рассчитанным значением. Использованы следующие четыре уравнения.The phase composition of the sintered samples shown in tables 1 and 2 is the calculated value. The following four equations are used.
φD=(1-ε0)(1-α)φ D = (1-ε 0 ) (1-α)
φSiC=(1-ε0)(MSiC*ρD/MC*ρSiC)αφ SiC = (1-ε 0 ) (M SiC * ρ D / M C * ρ SiC ) α
φSi=1-(φD+φSiC)φ Si = 1- (φ D + φ SiC )
α=(ρScD+1,18*ε0-3,51)/(2,03(1-ε0)),α = (ρ ScD + 1.18 * ε 0 -3.51) / (2.03 (1-ε 0 )),
где ε0 представляет собой исходную пористость, ρScD, ρD и ρSiC представляют собой плотности соответственно спеченного композита, алмаза и карбида кремния, MSiC и MC представляют собой молекулярные массы карбида кремния и углерода, и, наконец, α представляет собой степень графитизации.where ε 0 is the initial porosity, ρ ScD , ρ D and ρ SiC are the densities of the sintered composite, diamond and silicon carbide, respectively, M SiC and M C are the molecular masses of silicon carbide and carbon, and finally, α represents the degree graphitization.
Материал в соответствии с изобретением проявляет коэффициент теплового расширения в интервале между 1,8×10-6 до 2,3×10-6 К-1. Это очень низкий уровень теплового расширения, который хорошо соответствует коэффициентам теплового расширения плат с интегральными схемами.The material in accordance with the invention exhibits a coefficient of thermal expansion in the range between 1.8 × 10 −6 to 2.3 × 10 −6 K −1 . This is a very low level of thermal expansion, which is in good agreement with the thermal expansion coefficients of integrated circuit boards.
Как указывалось ранее, тип источника углерода или, иными словами, способ введения углерода для получения карбида играет важную роль с точки зрения обеспечения высокого уровня теплопроводности. Проведен ряд опытов для того, чтобы количественно охарактеризовать это явление. Углерод добавляют в заготовку или он образуется в заготовке тремя путями. Затем заготовку пропитывают расплавом кремния и измеряют температуропроводность спеченного композита. Алмазная смесь, образующая заготовку, является полностью одинаковой и представлена составом образца А. Источники углерода для образования карбида получали графитизацией алмазов, осаждением пироуглерода в заготовке и смешением угольного порошка с алмазным порошком, который образует заготовку. Условия и результаты опытов представлены в таблице 3.As indicated earlier, the type of carbon source or, in other words, the method of introducing carbon to produce carbide plays an important role in terms of ensuring a high level of thermal conductivity. A series of experiments was carried out in order to quantitatively characterize this phenomenon. Carbon is added to the preform or it is formed in the preform in three ways. Then the preform is impregnated with a molten silicon and the thermal diffusivity of the sintered composite is measured. The diamond mixture forming the preform is completely identical and is represented by the composition of sample A. The carbon sources for the formation of carbide were obtained by graphitization of diamonds, precipitation of pyrocarbon in the preform, and mixing of coal powder with diamond powder, which forms the preform. The conditions and results of the experiments are presented in table 3.
Очевидно, что образец А, в котором нет внешнего источника углерода, имеет наиболее высокую температуропроводность. Для расчета уровня теплопроводности фазовые составы образцов в данном случае определены с помощью анализа СЭМ-изображения поверхностей разлома.Obviously, sample A, in which there is no external carbon source, has the highest thermal diffusivity. To calculate the level of thermal conductivity, the phase compositions of the samples in this case were determined by analyzing the SEM image of the fault surfaces.
Существуют некоторые различия в фазовых составах между четырьмя различными группами образцов. Причиной таких различий в конечном продукте являются трудности в достижении точно одинакового конечного состава при использовании различных способов производства. При добавлении внешнего углерода (В; С; D) остаточное количество кремния в конечном образце снижается приблизительно от 10% для образца А. Это особенно заметно в случае добавления пироуглерода (В;С), где наблюдается менее 1% кремния. Впоследствии образование карбида кремния увеличивается до некоторой степени, но общие фазовые сдвиги приводят к умеренным различиям в значениях Ср, используемых для расчета уровня теплопроводности различных образцов, см. Таблицу 3.There are some differences in phase composition between four different groups of samples. The reason for such differences in the final product is the difficulty in achieving exactly the same final composition when using different production methods. With the addition of external carbon (B; C; D), the residual amount of silicon in the final sample decreases from about 10% for sample A. This is especially noticeable in the case of adding pyrocarbon (B; C), where less than 1% silicon is observed. Subsequently, the formation of silicon carbide increases to some extent, but the total phase shifts lead to moderate differences in the values of C p used to calculate the level of thermal conductivity of various samples, see Table 3.
Описанные выше колебания не являются достаточно большими для того, чтобы ими можно было объяснить большие отличия в измеренной температуропроводности при добавлении внешнего углерода. Важным является наличие углерода, формирующегося именно из алмаза и образующего окружающий алмаз SiC-слой, который простирается в виде скелетной структуры по всему композиту и обеспечивает оптимальный решеточный механизм переноса фононов. В таблице 3 показано большое влияние природы источника углерода на температуропроводность. Когда композит готовят в соответствии с настоящим изобретением, конечное значение теплопроводности превышает теплопроводность металлов, наилучшим из которых является медь с λ=400 Вт/(м·К) и α=1,16 см2/сек.The fluctuations described above are not large enough to explain the large differences in the measured thermal diffusivity when external carbon is added. The presence of carbon, which is formed precisely from diamond and forms the surrounding diamond SiC layer, which extends in the form of a skeletal structure throughout the composite and provides the optimal lattice mechanism of phonon transfer, is important. Table 3 shows the large effect of the nature of the carbon source on thermal diffusivity. When the composite is prepared in accordance with the present invention, the final value of thermal conductivity exceeds the thermal conductivity of metals, the best of which is copper with λ = 400 W / (m · K) and α = 1.16 cm 2 / s.
Температуропроводность измеряют с использованием технологии лазерной вспышки. Верхнюю поверхность образца в виде диска облучают лазером, который дает мгновенный энергетический импульс. Энергия лазера абсорбируется верхней поверхностью и проходит через образец. Сразу после излучения лазерной вспышки температуру задней поверхности проверяют на тепловое излучение, которое определяют с использованием фотоэлектрического инфракрасного детектора. Лазерный импульс повышает температуру образца только на несколько градусов. Температуропроводность (α) рассчитывают, исходя из толщины (L) образца и времени, необходимого для того, чтобы температура задней поверхности достигла половины общего повышения температуры (t1/2) с использованием уравнения α=kL2/t1/2, где k представляет собой константу. Используемое оборудование для создания лазерной вспышки представляет собой ULVAC Sinku-Rico TC-700/Melt с лазером на основе неодимового стекла, который имеет колебательную длину волны 1,064 мкм, и индий-сурьмяным ИК-детектором, который охлаждается жидким азотом. Образцы представляют собой диски диаметром 10 мм и толщиной 4-5 мм. Измерения проводят при комнатной температуре, ширина импульса составляет 0,88 мсек, продолжительность импульса составляет 0,3 мсек, диаметр импульса 15 мм, энергия импульса 15 Дж/импульс и напряжение 2,4 кВ.Thermal diffusivity is measured using laser flash technology. The upper surface of the sample in the form of a disk is irradiated with a laser, which gives an instantaneous energy impulse. Laser energy is absorbed by the upper surface and passes through the sample. Immediately after the emission of the laser flash, the temperature of the back surface is checked for thermal radiation, which is determined using a photoelectric infrared detector. A laser pulse raises the temperature of the sample by only a few degrees. The thermal diffusivity (α) is calculated based on the thickness (L) of the sample and the time required for the temperature of the back surface to reach half the total temperature increase (t 1/2 ) using the equation α = kL 2 / t 1/2 , where k is a constant. The laser flash equipment used is the ULVAC Sinku-Rico TC-700 / Melt with a neodymium glass laser that has an oscillation wavelength of 1.064 μm and an indium-antimony IR detector that is cooled with liquid nitrogen. Samples are disks with a diameter of 10 mm and a thickness of 4-5 mm. The measurements are carried out at room temperature, the pulse width is 0.88 ms, the pulse duration is 0.3 ms, the pulse diameter is 15 mm, the pulse energy is 15 J / pulse and the voltage is 2.4 kV.
Затем рассчитывают теплопроводность λ с использованием уравнения α=λ/Срρ, где Ср представляет собой теплоемкость и ρ представляет собой плотность. Теплоемкость рассчитывают в соответствии с уравнением Ср=∑(ρiφiCi)/ρScD, где ρScD представляет собой плотность спеченного композита, ρi представляет собой плотность каждой фазы, φi представляет собой объемную долю каждой фазы, а Ci представляет собой теплоемкость каждой фазы.Then, the thermal conductivity λ is calculated using the equation α = λ / C p ρ, where C p represents the specific heat and ρ represents the density. The heat capacity is calculated in accordance with the equation With p = ∑ (ρ i φ i C i ) / ρ ScD , where ρ ScD is the density of the sintered composite, ρ i is the density of each phase, φ i is the volume fraction of each phase, and C i represents the heat capacity of each phase.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003118430/03A RU2270821C2 (en) | 2000-11-21 | 2001-09-10 | Heat-conducting material |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000129403 | 2000-11-21 | ||
| RU2000129403A RU2206502C2 (en) | 2000-11-21 | 2000-11-21 | Composite material |
| RU2003118430/03A RU2270821C2 (en) | 2000-11-21 | 2001-09-10 | Heat-conducting material |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2003118430A RU2003118430A (en) | 2004-11-20 |
| RU2270821C2 true RU2270821C2 (en) | 2006-02-27 |
Family
ID=36114456
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003118430/03A RU2270821C2 (en) | 2000-11-21 | 2001-09-10 | Heat-conducting material |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2270821C2 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2566351C2 (en) * | 2013-11-07 | 2015-10-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Керамет-Пермь" | Method of making articles from diamond-containing composite materials |
| RU2731703C1 (en) * | 2019-11-15 | 2020-09-08 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" имени И.В. Горынина Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ЦНИИ КМ "Прометей") | Composite material |
| RU2780804C1 (en) * | 2021-08-10 | 2022-10-04 | Акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт материалов" (АО "ЦНИИМ") | Microwave absorption structural element |
| CN116425546A (en) * | 2023-04-19 | 2023-07-14 | 吉林大学 | Preparation method of large-particle-size high-duty-ratio diamond/silicon carbide composite material |
-
2001
- 2001-09-10 RU RU2003118430/03A patent/RU2270821C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2566351C2 (en) * | 2013-11-07 | 2015-10-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Керамет-Пермь" | Method of making articles from diamond-containing composite materials |
| RU2731703C1 (en) * | 2019-11-15 | 2020-09-08 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" имени И.В. Горынина Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ЦНИИ КМ "Прометей") | Composite material |
| RU2780804C1 (en) * | 2021-08-10 | 2022-10-04 | Акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт материалов" (АО "ЦНИИМ") | Microwave absorption structural element |
| RU2787570C1 (en) * | 2021-08-10 | 2023-01-11 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) | Electron flow drift tube of a high-power drift-type uhf appliance |
| CN116425546A (en) * | 2023-04-19 | 2023-07-14 | 吉林大学 | Preparation method of large-particle-size high-duty-ratio diamond/silicon carbide composite material |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6914025B2 (en) | Heat conductive material | |
| US5874175A (en) | Ceramic composite | |
| US6413589B1 (en) | Ceramic coating method | |
| EP2130932B1 (en) | Three phase composite material with high thermal conductivity and its production | |
| US9188397B2 (en) | Dense composite material, method for producing the same, and component for semiconductor production equipment | |
| EP2213756B1 (en) | Metal-graphite composite material having high thermal conductivity and method for producing the same | |
| US7384821B2 (en) | Diamond composite heat spreader having thermal conductivity gradients and associated methods | |
| JP4995565B2 (en) | Manufacturing method of composite material | |
| EP1168438A2 (en) | High thermal conductivity composite material, and method for producing the same | |
| US8623510B2 (en) | Graphite material and method for manufacturing the same | |
| CN1957467A (en) | Heat sink made from diamond-copper composite material containing boron | |
| JP3673436B2 (en) | Carbon-based metal composite material and manufacturing method thereof | |
| Sun et al. | Fabrication and characterization of diamond/copper composites for thermal management substrate applications | |
| Li et al. | Realizing ultrahigh thermal conductivity in bimodal-diamond/Al composites via interface engineering | |
| CN1112904A (en) | Toughended chemically vapor deposited diamond | |
| RU2270821C2 (en) | Heat-conducting material | |
| JPH0513116B2 (en) | ||
| KR102660216B1 (en) | Dense composite material, method for producing the same, joined body, and member for semiconductor manufacturing device | |
| JP5308296B2 (en) | Method for producing titanium silicon carbide ceramics | |
| Azina | Diamond-based multimaterials for thermal management applications | |
| AU2001291848B2 (en) | A heat conductive material | |
| CN1052473A (en) | Ceramic-metal bonding | |
| AU2001291848A1 (en) | A heat conductive material | |
| US6972109B1 (en) | Method for improving tensile properties of AlSiC composites | |
| KR100431927B1 (en) | Method for fabricating High Density Boron carbide-Aluminium Compound By Infiltration |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150911 |