Laser 3D printing of Diamond-based Composite Materials for Thermal Management Applications
Fabrication additive assisté laser de matériaux composites 3D et revêtement diamant par CVD
Résumé
The constant increase of the working frequency of semiconductor-based devices with their miniaturization led to severe overheating, which affect their lifetime and reliability. Hence, thermal management has become a significant concern for the microelectronic area and needs to be addressed. Diamond (D) is known to be an excellent material for thermal dissipation as it possesses one of the highest thermal conductivity (TC) of any natural material and has a high electrical resistivity. D can cool electronic chips in two ways. When used in the form of a film, D acts as a heat spreader. When utilized in powder-form, Ds can be introduced into metals to enhance their TC and bring dimensional stability at elevated temperatures. The resulting metal/D composite materials are thus, excellent component to form heat sinks. Naturally, the thermal performances of heat sinks are closely related to their surface area. Although the attractiveness of D-based materials in term of thermal performance, they often exhibit simple geometry mostly due to the complexity of machining D-based materials into intricated designs. Laser 3D printing is an emerging method of manufacturing sophisticated designs and has shown promising results for various metal and alloys. In this study, the laser 3D printing of copper/D composite materials is proposed to fabricate highly complex Cu/D structures which could remodel their applications. Before additively manufactured Cu/D composite materials, several challenges need to be addressed. First, the additive manufacturing of pure Cu is optimized and characterized. Then, due to a lack of a chemical affinity between Cu and D, the Cu-D interfacial zone is introduced in the composite material. Later, a molten salt coating process is studied to produced graded and multilayer coating of oxide/carbide and carbide/carbide, respectively, on carbon materials. Next, the additive manufacturing of highly sophisticated Cu/D composite structures is presented. Finally, the deposition of D films is performed by laser-assisted combustion flame. The effects of introducing ultraviolet lasers into the combustion flame are characterized in terms of chemical reaction and D film quality and growth rate.
L'augmentation constante de la fréquence de travail des dispositifs à base de semi-conducteurs avec leur miniaturisation a conduit à une surchauffe sévère, qui affecte leur durée de vie et leur fiabilité. Par conséquent, la gestion thermique est devenue une préoccupation importante dans le domaine microélectronique et doit être abordée. Le diamant (D) est connu pour être un excellent matériau pour la dissipation thermique car il possède l'une des conductivités thermiques les plus élevées de tous les matériaux naturels et possède une résistivité électrique élevée. D peut refroidir les puces électroniques de deux manières. Lorsqu'il est utilisé sous forme de film, D agit comme un diffuseur de chaleur. Lorsqu'ils sont utilisés sous forme de poudre, les Ds peuvent être introduits dans les métaux pour améliorer leur conductivités thermiques (TC) et apporter une stabilité dimensionnelle à des températures élevées. Les matériaux composites métal / D résultants sont ainsi d'excellents composants pour former des dissipateurs thermiques. Naturellement, les performances thermiques des dissipateurs thermiques sont étroitement liées à leur surface. Malgré l'attrait des matériaux à base de D en termes de performances thermiques, ils présentent souvent une géométrie simple, principalement en raison de la complexité d’usiner des matériaux à base de D dans des formes complexes. L'impression laser 3D est une méthode émergente de fabrication de géométrie sophistiquées et a donné des résultats prometteurs pour divers métaux et alliages. Dans cette étude, l'impression 3D laser de matériaux composites cuivre / D est proposée pour fabriquer des structures complexes de Cu / D qui pourraient remodeler leurs applications. Avant de fabriquer des matériaux composites Cu / D de manière additive, plusieurs défis doivent être relevés. Premièrement, la fabrication additive de Cu pur est optimisée et caractérisée. Puis, faute d'une affinité chimique entre Cu et D, une interphase est introduite dans le matériau composite. Plus tard, un procédé de revêtement de sel fondu est étudié pour produire un revêtement gradué et multicouche d'oxyde / carbure et de carbure / carbure, respectivement, sur des matériaux carbones. Ensuite, la fabrication additive de structures composites Cu / D est présentée. Enfin, le dépôt des films D est réalisé avec une flamme oxyacétylénique assistée laser. Les effets de l'introduction de lasers ultraviolets dans la flamme sont caractérisés en termes de réaction chimique, de qualité du film D et de taux de croissance.
Origine : Version validée par le jury (STAR)