Copper - diamond composite fabrication by electroforming process for thermal management applications

Abstract

Challenge in today's electronics world is miniaturization of electronic packages with suitable thermal management. Resistance against the conduction of electrons in electronic circuits causes heat generation. Generated heat should be dissipated quickly and reliably, or else device will encounter overheating related failures. Thermal management applications deals with heat dissipation. Simplest and most commonly applied thermal management method is conduction of the generated heat to air by means of a thermally conductive material, which is attached on heat generating component. For that purpose heat sinks or heat spreaders are commonly used in thermal management applications. Currently used heat sink materials are aluminum and copper; however, their usage in thermal management has a significant drawback that cannot be neglected. Despite being one of the highest thermally conductive metals, coefficient of thermal expansion (CTE) of copper is higher than the CTE of semiconductor on which heat sink is attached. For reliable heat dissipation and prevention of possible incompatible elongation related fractures, CTE of semiconductor material and heat sink material should match. Copper has a thermal conductivity of 398 W/m-1.K-1 and CTE of 17.10-6K.-1. Despite having satisfactory thermal conductivity, its CTE value is almost three times that of the semiconductor material. When copper is produced in composite form with diamond particles as reinforcement phase, not only a reduced CTE value is achieved, also an increased thermal conductivity is obtained. By adjusting the volume fraction of phases which constitute a composite material, material properties can also be adjusted. Diamond here is the reinforcing material of choice since having a thermal conductivity higher than 2000 W.m-1.K-1, highest among all known materials, and a CTE value of 1.1.10-6.K-1 makes diamond a unique material for thermal management applications. In this thesis, copper-diamond composite material to be used in thermal management applications is produced by electrochemical deposition method. Rather than conventional electrodeposition techniques, a modified sediment codeposition method is used. Particular electroforming system is designed for production of a near net shape and self-standing composite material. As electroforming electrolyte, traditional acidic copper sulfate plating bath containing 180 g/l copper sulfate, 30 g/l sulfuric acid, 0.1 g/l hydrochloric acid and 0.05 g/l Thiouera is prepared. 75 μm and 250 μm diamond particles are utilized in the codeposition process. Initial set of experiments are conducted without particles for optimization of operating conditions. After with optimized parameter smooth and bright copper is obtained, diamond is incorporated in copper matrix. First set of experiments are conducted 2-4 hours with 250 μm diamond particles. Particles are wetted in an electrolyte having identical composition with forming electrolyte prior to electroforming. Prior to electrodeposition process cathodic polarization curve is obtained potentiodynamically and the substrate surface potential required to be applied, corresponding to current density of 1 A/dm2, is derived from the polarization plot. As the deposit fills up the gaps between particles and grows further, available cathodic area changes. For that reason current density controlled deposition is not feasible. Therefore experiments were conducted potential controlled. Further experiments are conducted by optimized parameters with duration of 30 hours for copper to cover the particles entirely. After the surface coverage with homogeneous distribution of particles in matrix is obtained, reproducibility of method is examined using diamond particles with particle sizes of 75 and 250 μm. Annealing and cold isostatic pressing are applied for an improved copper-diamond interface. A group of samples are annealed for 2 hours at 650 °C, another group of samples are cold isostatic pressed for 10 minutes under the pressure of 1.5 x 106 N, a group of samples are both annealed and CIP'ed. Distribution of diamond particles, copper-diamond interface and morphology of copper deposit are investigated by Scanning Electron Microscopy. After cold isostatic pressing it is observed that copper morphology changed itself to an indented structure from a smooth morphology. X-Ray Diffraction patterns of samples with 75 μm diamond particles are plotted to investigate structural properties of as deposited samples and for observation of changes induced by annealing, cold isostatic pressing and both annealing and cold isostatic pressing. As deposited samples have copper peaks slightly shifted to smaller angles in respect of induced compression stresses while deposition. For annealed samples shifting to higher angles with a large extend is obtained. Cold isostatic pressing shifted the angles to smaller values. Copper peaks at smaller angles are also for the samples both exposed to cold isostatic pressing and annealing observed. Three point flexural test is conducted to as deposited and annealed samples to observe how mechanical properties are effected by annealing. Flexural strength test results indicated that flexural strength of copper-diamond composite is lowered by annealing. Flexural strength of annealed sample is 1.2 MPa while for as deposited sample it is 2.8 MPa. When there is a need for increased ductility regarding further forming processes material can be annealed. Copper-diamond composites produced with electroforming technique in desired shape and dimensions with enhanced diamond content. Material has void free structure and reliable interface.

Elektronik cihazların performansını önemli ölçüde etkileyen bir unsur olan aşırı ısınma, teknolojinin ilerlemesi önünde engel teşkil etmektedir. Elektronik alanında yapılan çalışmalarda son yıllarda eğilim küçük boyutlarda ve yüksek performansta çalışan cihazların tasarlanması yönündedir. Arzu edilen niteliklere sahip cihazların kullanımı ısıl yönetim olmadan mümkün olmamakta, cihaz tasarımlarındaki minimalist eğilim ise ısıl yönetimi güç kılmaktadır. Elektrik iletimi esnasında akıma gösterilen direnç sebebi ile açığa çıkan ısı, cihazdan aktif ya da pasif ısıl yönetim prensipleri ile uzaklaştırılır. Aktif ısıl yönetim türleri; çalışırken dış enerji kaynağına ihtiyaç duymalar, pasif yöntemlere kıyasla karmaşık şekillerde bulunmaları, yüksek maliyetli tasarımlar olmaları ve çalışma esnasında ses üretmeleri gibi dezavantajlara sahiptirler. Fanlar, termoelektrik soğutucular, sıvı soğutma sistemleri aktif yöntemlerdir ve çalışma esnasında ses üretmektedirler. Pasif yöntemler üretilen ısının cihazdan uzaklaştırılmasında ve/veya ısı üreten parçadan aktif soğutucu elemana ısı aktarımında kullanılır. En çok kullanılan ısıl yönetim türleri pasif soğutma yöntemlerinden olan ısı muslukları ve ısı dağıtıcılardır. Her iki yüzeyi düz yapıya sahip ısı dağıtıcıların ve bir yüzeyi düz diğer yüzeyi hava ile teması artıracak biçimde tasarlanmış kanatlı bir yapıda bulunan ısı musluklarının çalışma prensibi ısının yüksek sıcaklık kaynağından düşük sıcaklıktaki ortama kondüksiyon yolu ile aktarılmasına dayanır. Isıl yönetim amaçlarına yönelik uygulamalarda kullanılmakta olan soğutucu malzemeler arasında en yaygın kullanılan malzemeler bakır ve alüminyumdur. Bakırın ısıl iletkenliği 398 W.m-1.K-1 değeri ile alüminyumun ısıl iletkenliğinden çok daha yüksektir. Böylece bakır ısıl yönetim uygulamalarında soğutucu olarak kullanılmak üzere alüminyumdan daha başarılı bir aday olmaktadır. Ancak bakır soğutucuların kullanımı beklenildiği kadar güvenilir sonuç vermemektedir. Bu durumun altında yatan sebep irdelendiğinde; bakır soğutucu ile soğutucunun üzerine monte edildiği yarıiletken malzemenin ısıl iletkenlik katsayıları arasında büyük bir fark olması, bu nedenle ısınma ve soğuma çevrimleri esnasında farklı ölçülerde uzama sonucu ortaya çıkan eğilip bükülmeler nedeniyle bu parçaların arasındaki kontakta temassızlıklar meydana gelmesi yer alır. Temassızlık durumunda ise güvenilir bir soğutmaya ulaşılması mümkün olamaz, malzemede üretilen ısı uzaklaştırılamaz ve lokal olarak başlayıp tüm cihaza yayılabilecek aşırı ısınma sorunuyla karşılaşılır. Malzemeler arasındaki ısıl iletkenlik farkının yüksek ısıl iletkenlikten ödün verilmeden birbirine yakın değerlerde olması gerekmektedir. Üzerinde yer aldığı elektronik parçanın ısıl iletkenliğine uyumlu ısıl genleşme katsayısına sahip mevcut malzemeler, ısıl iletkenliklerinin düşük olmaları sebebiyle ısıl yönetim uygulamalarında kullanılmaları mümkün olamamaktadır. Bakırın çeşitli malzemelerle alaşımlanması ile ısıl iletkenliğinin düşürülmesine yönelik çalışmalar yapılmış, ancak elde edilen ısıl iletkenlik değerleri yetersiz olmuştur. Son yıllarda yapılan çalışmalarda farklı malzemelerin sahip olduğu özellikler bir araya getirilerek üstün özelliklere sahip kompozit malzeme üretimi, ısıl iletkenlik uygulamalarında da kullanılarak bakırın çeşitli malzemelerle takviyelendirilmesi ile ısıl iletkenlik değerini düşürmeden ısıl genleşme katsayısının azaltılması başarılı bir şekilde sağlanmıştır. Bakır matrisli kompozit malzemede kullanılacak olan takviye malzemesinin sahip olması gereken özellikler yüksek ısıl iletkenlik ve düşük ısıl genleşme katsayısıdır. Elmas 2000 W.m-1.K-1 üzerindeki yüksek ısıl iletkenliğe ve yaklaşık 1.10-6.K-1 değerinde düşük ısıl genleşme katsayısına sahip olması sebebiyle bakırın takviyelendirilmesinde kullanılmaktadır. Bakır-elmas kompozit üretiminde kullanılan bakır matrisin üretim aşamasında sıvı fazda bulunduğu infiltrasyon ve katı fazda bulunduğu toz metalürjisi yöntemlerinde, bakır matris ile elmas partikülleri arasındaki ıslanma problemi sebebiyle sağlam bir ara yüzey elde edilememektedir. Ara yüzey, termal bariyer oluşturarak malzemenin ısı iletimini olumsuz etkilemektedir. İnfiltrasyon ve toz metalurjisi yöntemleri ile yeterli özelliklere sahip ara yüzeyin elde edilememesi sebebiyle teorik olarak hesaplanan değerin altında ısıl özelliklere sahip malzemeler elde edilmektedir. Ara yüzeyin iyileştirmesine yönelik matrisin alaşımlandırılması, karbür yapıcı elementlerin ilavesi, elmas partiküllerin yüzey özelliklerinin değiştirilmesi gibi çözümler kullanılmaktadır. Ancak bu çözüm yolları yüksek sıcaklık, basınç, inert atmosfer gerektiren üretim yöntemlerine ilave prosesler eklemekte ve maliyeti artırmaktadır. Metal matrisli kompozitlerin katı ve sıvı fazlı üretim yöntemlerinde mevcut olan dezavantajların, temelde yüksek proses sıcaklıklarına olan ihtiyaçtan kaynaklanmakta olduğu düşünüldüğünde; işlem sıcaklığının oda sıcaklığına yakın değerlerde olduğu elektrokimyasal yöntem ile kompozit üretimi ümit vadeden bir alternatif oluşturmaktadır. Bu çalışmada, ısıl yönetim uygulamalarında kullanıma yönelik bakır-elmas kompozitinin elektroşekillendirme yöntemi üretimi gerçekleştirilmiştir. Elektrokimyasal yöntemle kompozit üretiminde yüksek hacimsel takviye oranlarına ulaşmak amacıyla kullanılan sediment biriktirme yönteminin modifiye edilerek kullanılmasıyla, bakır 75 μm ve 250 μm boyutlardaki elmas partikülleri ile takviyelendirilmiştir. Elektroşekillendirme elektrolit çözeltisi olarak 180 g/l bakır sülfat, 30 g/l sülfürik asit ve 0,1 g/l hidroklorik asit içeren geleneksel asidik bakır kaplama banyosu hazırlanmış, parlatıcı olarak 0,05 g/l tüyoüre kullanılmıştır. Elektrot olarak bakır anot ve bakır katot kullanılmış, öncelikli olarak bakır elektroşekillendirme parametreleri takviye kullanılmadan optimize edilmiştir. Çalışmada katot ve anot sediment biriktirme yöntemlerindeki gibi yatay pozisyonda konumlanmış ve geleneksel sediment biriktirme yöntemlerinden farklı olarak, arzu edilen son şekil ve boyutlarda kompozit malzeme üretimini mümkün kılmak amacıyla katot üzerine monte edilen bir kapak tasarlanmıştır. Kapağın üst kısmında bulunan delik sayesinde yalnızca istenilen boyut ve şekildeki alan çözelti ile temas etmektedir. Bu deliğin içerisine elmas partikülleri konumlandırılır ve sisteme akım verilerek bakır matrisin elmas partikülleri arasındaki boşlukları dolduracak şekilde birikimi başlar. Elmas partiküller altlık yüzeyine yerleştirilmeden önce, aglomerasyonu önlemek amacı ile elektroşekillendirme banyosu ile aynı kompozisyona sahip bir çözeltide ıslatılmıştır. Tasarlanan sistem ve optimize edilen parametreler ile, altlık yüzeyine konumlandırılan 250 μm boyutlu elmas partikülleri kullanılarak 2-4 süre ile biriktirme işlemi gerçekleştirilmiştir. Ancak istenilen morfolojide ve parlak bakır yerine dentritik bakır elde edilmesi akım yoğunluğunun olması gereken aralıktan daha yüksek olduğunu göstermiştir. Partiküller arasındaki boşlukları doldurarak büyüyen bakırın yüzey alanında sürekli bir değişim olması birikime müsait alanı değiştireceğinden akım yoğunluğu kontrollü deneyler uygulanabilir olmamış, potansiyel fark kontrollü deneyler için polarizasyon eğrisi çizilmiştir. Polarizasyon eğrisinde 1 A/dm2 akım yoğunluğuna karşılık gelen potansiyel fark 160 mV olarak ölçülüp, deneyler potansiyel kontrollü yürütülmüştür. 75 ve 250 μm elmas partikülleri ile 30 saat süre ile bakır birikimi gerçekleştirilmiş ve 700 μm üzerinde kalınlıkta malzeme elde edilmiştir. Üst yüzeyden bakıldığında tüm yüzeyde yalnızca bakır görülecek şekilde partiküllerin üzeri bakır ile kaplanmış ve yöntemin tekrarlanabilirliği test edilmiştir. Elektroşekillendirme yöntemi ile üretilen kompozit malzeme, az miktarda manuel kuvvet yardımı ile altlık malzemeden ayrılabilmektedir. Tavlama, soğuk izostatik presleme ve her iki işlem birlikte uygulanarak ara yüzeye etkileri incelenmiştir. Tavlama prosesi 650 °C'de 2 saat süre ile, soğuk izostatik presleme ise 1,5 x 106 N basınç altında 10 dakika süre ile gerçekleştirilmiştir. Her iki işlemin uygulandığı numuneler önce preslenip sonra tavlanmıştır. Taramalı elektron mikroskobu ile elmas partiküllerin dağılımı, kompozitin arayüzeyi ve bakır morfolojisi incelenmiştir. Soğuk izostatik preslenen numunelerde bakır morfolojisinin iğnesel bir yapıya dönüştüğü gözlemlenmiştir. X-Işını Difraktometresi ile işlemlerin yapıya etkisi irdelenmiştir. Herhangi bir işlem görmemiş numunelerde bakır pikleri, elektrokimyasal birikim esnasında ortaya çıkan basma gerilmeleri sebebi ile küçük açılara kaymıştır. Tavlanmış numunelerde kayma büyük açılar yönünde, soğuk preslenmiş numunelerde küçük açılar yönünde olmuştur. Soğuk presleme sonrası tavlanan numunelerde bakır piklerinde yine küçük açılar yönünde kayma gözlenmiştir. Üç noktalı eğme testi ile işlem görmemiş ve tavlanmış numunelerin eğme dayanımları kıyaslanmıştır. Eğme testi sonuçlarında tavlama işleminin eğme dayanımını azalttığı görülmüştür. Tavlanmış numunenin eğme dayanımı 1,2 MPa, işlem görmemiş numunenin eğme dayanımı 2,8 MPa ölçülmüştür. Malzeme, sünekliğin artırılmasına ihtiyaç duyulan uygulamalarda tavlama işlemi uygulanarak kullanılabilir, tavlama işlemi ile elektrokimyasal biriktirme sırasında ortaya çıkan basma gerilmeleri kaldırılmıştır. Soğuk izostatik presleme sonrası tavlanmış numunelerde soğuk izostatik presleme etkisi malzeme tavlandığında tamamıyla ortadan kalkmamaktadır. Yüksek takviyeli bakır-elmas kompozit malzeme elektroşekillendirme yöntemi ile arzu edilen şekil ve büyüklüklerde sağlam bir ara yüzey ile boşluksuz yapıda üretilerek, üretimi sonrası kullanıma yönelik uygulanacak şekillendirme yöntemlerine göre soğuk izostatik presleme ve tavlama işlemlerine tabi tutularak ya da malzemeye hiçbir işlem uygulanmadan kullanılabilir.