ALÜMİNYUM/ELMAS METAL MATRİSLİ KOMPOZİTLERİN GAZ BASINÇLI İNFİLTRASYON YÖNTEMİ İLE ÜRETİMİ VE TERMAL ÖZELLİKLERİNİN GELİŞTİRİLMESİ
FABRICATION OF ALUMINUM/DIAMOND METAL MATRIX COMPOSITE BY GAS PRESSURE INFILTRATION METHOD AND ENHANCEMENT OF THEIR THERMAL PROPERTIES
- Tez No: 719096
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ NURİ SOLAK
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Metalurji Mühendisliği, Engineering Sciences, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Alüminyum matrisli kompozitler, Metal matrisli kompozitler, Aluminum matrix composites, Metal matrix composites
- Yıl: 2022
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Elektronik cihazların minyatürleşmesi ile birlikte son yıllarda mikroelektronik teknolojiler büyük önem kazanmıştır. Mikroelektronik sistemlerde devre elemanlarının performans artışı ve artan minyatürleşme sebebiyle güç yoğunlukları önemli ölçüde artmıştır. Güç yoğunluklarının artması entegre devrelerde daha yüksek ısı akılarının ortaya çıkmasına neden olmuştur. Tüm bu gelişmelerin sonucu olarak elektronik devre elemanlarının aşırı ısınma problemleri ortaya çıkmıştır. Elektronik devre elemanlarının istenmeyen sıcaklıklara maruz kalması çalışma performanslarının düşmesine, güvenirliklerinin azalmasına, ömürlerinin kısalmasına ve hatta bozulmalarına neden olmaktadır. Bu nedenlerden dolayı termal yönetim mikroelektronik teknolojisinin gelişmesinde kilit bir rol almaktadır. Mikroelektronik sistemlerde açığa çıkan ısının uzaklaştırılmasında kullanılan ısı emicilerin yüksek termal iletkenliğe sahip olması gerekmektedir. Ancak, yüksek termal iletkenlik tek başına beklentileri karşılayamamaktadır. Isı emicinin termal genleşme katsayısının bağlı olduğu yarı iletkenle uyumlu olması da gerekmektedir. Termal genleşme katsayılarındaki uyumsuzluk, termal çevrim sırasında gerilmeler meydana getirerek yüzeylerin birbirinden ayrılmasına ve ısı uzaklaştırma performansının azalmasına neden olmaktadır. Bu nedenle, termal yönetim malzemesinin genleşme katsayısının, bağlı olduğu bileşenin katsayısına yakın bir değerde olması gerekmektedir. Mikroelektronik endüstrisinde kullanılacak ısı emicilerden beklenen diğer özellikler ise; hafiflik ve servis koşullarında termal iletkenlik kararlılığı gösterebilmesi olarak ortaya çıkmaktadır. Monokristalin elmas olağanüstü termal özelliklere sahiptir (oda sıcaklığında yüksek termal iletkenlik: 1200-2200 W/m·K ve düşük termal genleşme katsayısı: ~ 1 ppm/K). Bu nedenle; Alüminyum/Elmas, Bakır/Elmas ve Gümüş/Elmas gibi elmas takviyeli metal matrisli kompozitler (MMC) mikroelektronik teknolojisinde beklentilere cevap verebilecek yeni nesil termal yönetim malzeme adayı olarak ortaya çıkmaktadır. Alüminyumun düşük yoğunluğa, düşük ergime noktasına, düşük maliyete ve yüksek oksidasyon direncine sahip olması; bakıra ve gümüşe kıyasla daha uygun bir matris malzemesi olmasını sağlamaktadır. Alüminyum ile elmas arayüzeyinde oluşan Al4C3 fazının düşük termal iletkenlik ve higroskopik özelliklere sahip olmasından dolayı, kompozitin termal iletkenliği üzerinde etkin bir parametredir. Arayüzey kontrolü için literatürde alüminyum matrisin alaşımlandırılması ve elmas partiküllerinin kaplanması üzerine çalışmalar yapılmıştır. İki yöntemde de asıl hedef, Al4C3 arafaz oluşum reaksiyonlarının baskılanarak termal iletkenlik değerinin geliştirilmesidir. Termal yönetim malzemeleri için yüksek termal iletkenlik ve düşük termal genleşme katsayısı kadar önemli bir diğer özellik termal iletkenlik kararlılığıdır. Dolayısı ile seçilecek yöntemin aynı zamanda kompozitin servis koşullarında termal iletkenlik kararlılığı gösterebilmesini sağlaması gerekmektedir. Alüminyum/SiC kaplı-Elmas MMC'ler üzerinde kısıtlı çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmalarda SiC kaplamanın termal iletkenliği iyileştirdiği gösterilmiştir. Fakat kompozitlerin uzun dönem termal iletkenlik kararlılıkları hakkında detaylı çalışma bulunmamaktadır. Sadece, ıslak ortamdaki kararlılıklarının kaplamasız elmas partikülü içeren Alüminyum/Elmas kompozitlerden daha iyi olduğu raporlanmıştır. Korozyon mekanizması ise açıklanmamıştır. Ayrıca, bu çalışmalarda başka bir termal iletkenlik kararlılık testi yapılmamıştır. Tez çalışmasının amacı iki ana başlık altında toplanmaktadır: i) Özgün tasarıma sahip, infiltrasyon parametrelerinin hassas şekilde kontrol edilmesine imkân veren, yüksek basınç (400 bar) ve yüksek sıcaklıkta (2000 °C) çalışabilen gaz basınçlı infiltrasyon sisteminin kurulması amaçlanmıştır. ii) Başta mikroelektronik teknolojisi olmak üzere gelişmiş termal yönetim uygulamalarına yönelik yüksek termal iletkenliğe ve düşük termal genleşme katsayısına sahip ve aynı zamanda servis koşullarında termal iletkenlik kararlılığı sergileyebilen yeni nesil termal yönetim malzemesinin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu bağlamda, elmas partikülleri SiC ile kaplanarak Alüminyum/SiC kaplı-Elmas MMC'ler üretilmiştir. SiC kaplamanın hem kompozit üretimi sırasında arayüzey oluşumunun kontrol edilmesi hem de uzun dönem termal iletkenlik kararlılıkları üzerindeki etkilerinin incelenmesi hedeflenmiştir. Tez kapsamında gerçekleştirilen çalışmada; gaz basınçlı infiltrasyon yöntemi ile üretilmiş Alüminyum/SiC kaplı-Elmas MMC'ler, aynı parametrelerle üretilmiş Alüminyum/kaplamasız-Elmas kompozit numunelerle karşılaştırılarak; mikroyapıları, faz içerikleri, termal iletkenlikleri, termal genleşme katsayıları ve termal iletkenlik kararlılıkları incelenmiştir. Alüminyum/SiC kaplı-Elmas MMC'lerin üretilebilmesi için elmas partikülleri reaktif dönüşüm yöntemiyle homojen olarak SiC ile kaplanmıştır. Gaz basınçlı infiltrasyon yöntemi sayesinde MMC'ler boşluksuz ve homojen elmas dağılımına sahip olacak şekilde üretilmiştir. MMC'lerin hacimsel elmas doluluk oranları %58 olarak tespit edilmiştir. Alüminyum/SiC kaplı-Elmas MMC'nin termal iletkenlik değerinin oda sıcaklığında 500 W/m·K üzerinde olduğu belirlenmiştir. Diğer taraftan; aynı parametrelerle üretilmiş kaplamasız elmas içeren Alüminyum/Elmas MMC'nin termal iletkenlik değeri ise oda sıcaklığında 400 W/m·K altında bulunmuştur. SiC kaplı elmas içeren MMC'nin özgül ısı kapasitesi ve termal difüzivitesi oda sıcaklığından 200 °C'ye kadar ölçülmüştür. Elde edilen sonuçlardan MMC'nin 200 °C'ye kadar 450 W/m·K'nin üzerinde bir termal iletkenlik değerine sahip olduğu tespit edilmiştir. Kompozitin termal genleşme katsayısı ölçülmüştür. Elde edilen değer, mikroelektronik devrelerdeki termal yönetim uygulamaları için uygunluk göstermiştir. SiC kaplı elmas partiküllerin, Alüminyum/Elmas MMC'nin uzun dönem kararlılığına etkisi incelenmiştir. Bu kapsamda 3 farklı termal iletkenlik kararlılık testi uygulanmıştır; termal dayanım testleri, termal şok testleri, ıslak-ortam dayanım testleri. Alüminyum/SiC kaplı-Elmas MMC'nin termal iletkenliği termal dayanım testlerinde 500 °C'ye kadar kararlılık göstermiştir ve ayrıca 500 °C'de 120 saat boyunca bile kararlı kalabilmiştir. Alüminyum/kaplamasız Elmas MMC'nin termal iletkenlik değeri ise termal dayanım testlerinde önemli ölçüde azalmıştır. Termal şok testinde Alüminyum/SiC kaplı-Elmas MMC'nin termal iletkenlik değerinin 300 °C ile oda sıcaklığı arasındaki 50 termal çevrim boyunca kararlı kaldığı tespit edilmiştir. Islak-ortam dayanım testlerinde, Alüminyum/SiC kaplı-Elmas MMC'nin 240 saat boyunca termal iletkenlik değerini koruduğu görülmüştür. Alüminyum/kaplamasız-Elmas MMC'nin termal iletkenlik değeri ise yapılan ıslak-ortam dayanım testlerinde düşüş göstermiştir. Elmas partiküllerinin SiC ile kaplanması, Alüminyum/Elmas MMC'nin neme karşı dayanımını büyük ölçüde arttırdığı sonucuna varılmıştır. Alüminyum/Elmas MMC'lerde matrisin bozunması aralık korozyon mekanizması ile gerçekleştiği tespit edilmiştir. Yüksek basınç ve yüksek sıcaklıkta çalışabilen hassas kontrol sistemine sahip özgün bir gaz basınçlı infiltrasyon sisteminin kurulması, Alüminyum/SiC kaplı-Elmas MMC'lerin gaz basınçlı infiltrasyon yöntemi ile üretilmesi, kompozitin üretimi sırasında SiC kaplamanın termal iletkenliğe etkisinin termodinamik hesaplamalarla desteklenerek incelenmesi, geliştirilen yeni nesil kompozitlerin termal iletkenliğinin oda sıcaklığından 200 °C'ye kadar belirlenmesi ve termal genleşme katsayısının oda sıcaklığı ile 200 °C arasında sıcaklığın fonksiyonu olarak tespit edilmesi, sıcaklığın termal iletkenlik üzerindeki etkisinin belirlenmesi, termal şok direncinin tespit edilmesi ve korozyon mekanizmasının belirlenmesi bu çalışmanın özgün yanlarını oluşturmaktadır. Sonuç olarak; bu tez çalışması, Alüminyum/SiC kaplı-Elmas MMC'lerin hem elektronik uygulamalar için hem de zorlu çevresel şartlarda çalışan diğer termal yönetim uygulamalar için gelecek vaat eden yeni nesil malzeme adayı olduğunu göstermiştir.
Özet (Çeviri)
With the development of electronic devices towards miniaturization, microelectronic technology has become important. Due to the development of electronic components and increasing miniaturization in microelectronic systems, power density has increased significantly. The increase in power density has also led to higher heat flux in integrated circuits. As a result of these developments, the overheating problem of electronic components has emerged. Exposure of electronic components to undesirable temperatures decreases their performance, reliability, service life and even causes them to fail. For these reasons, thermal management plays a key role in the development of microelectronic technology. Heat sinks with high thermal conductivity are used for heat dissipation in microelectronic systems. In addition to high thermal conductivity, the coefficient of thermal expansion of the heat sink also must be compatible with the adjacent semiconductor. Mismatch in the coefficient of thermal expansion results in thermal stress-induced failure of joints due to thermal stress, and slower dissipation of the heat released. Other requirements for the heat sink to be used in the microelectronics industry are; low density and long-term thermal conductivity stability under service conditions. Monocrystalline diamond has outstanding thermal properties well suited for such applications: high TC (1200-2200 W/m·K at 25 °C) and low coefficient of thermal expansion (~ 1 ppm/K at 25 °C). Therefore, monocrystalline diamond-reinforced metal-matrix composites (MMCs) such as Aluminum/Diamond, Copper/Diamond, Silver/Diamond have been studied as a new generation thermal management material, especially for microelectronic technology. Due to its light-weight, lower melting point, lower cost and relatively high oxidation resistance, aluminum is a suitable matrix material compared to copper and silver. Al4C3 is the main phase formed at the interface as a result of the reaction between diamond particles and the aluminum matrix. Since the Al4C3 phase has low thermal conductivity and hygroscopic properties, it is an effective parameter on the thermal conductivity of Aluminum/Diamond composites. An excess amount of Al4C3 adversely affects the thermal properties of the composite. In the literature, studies have been focused on alloying of the aluminum matrix and coating of diamond particles for controlling Al4C3 formation during the composite fabrication. The common purpose of these methods is to suppress the reaction kinetics for forming Al4C3 to enhance the thermal conductivity. Thermal conductivity stability is another property for thermal management materials. Thermal management composites are exposed to heat and moisture under service conditions. Therefore, to achieve long-term thermal conductivity stability, the method applied should also prevent the formation of Al4C3 under service conditions and contribute to the resistance of the composite against thermal shock and moisture. There are limited studies on Aluminum/SiC-coated Diamond MMCs. In these studies, it has been reported that the SiC coating of diamond particles improves thermal conductivity. However, the long-term thermal conductivity stability of composites has not been investigated in detail. It was concluded that the SiC-coated composites are stable in wet environments compared to the uncoated composite. However, the corrosion mechanism was not explained. No further thermal conductivity stability tests were performed. The aim of the thesis is gathered under two main headings: i) It is aimed to establish a gas pressure infiltration system with a unique design, which allows precise control of infiltration parameters, and which can operate at high pressure (400 bar) and high temperature (2000 °C). ii) It is aimed to develop a new generation thermal management material, especially for microelectronic technology, which has high thermal conductivity, low coefficient of thermal expansion, and can also exhibit thermal conductivity stability under service conditions. In this context, diamond particles were coated with SiC, and Aluminum/SiC-coated Diamond MMCs were fabricated by use of the gas pressure infiltration method. It is aimed to investigate the effects of SiC-coated diamond particles in terms of; controlling the interface formation during composite fabrication and providing long-term thermal conductivity stability. In the thesis; Aluminum/SiC-coated Diamond and Aluminum/uncoated Diamond MMCs were fabricated with the same parameters by use of the gas pressure infiltration method. Their microstructures, phase contents, thermal conductivity values, the coefficient of thermal expansion values, and thermal conductivity stability properties were investigated. In order to fabricate Aluminum/SiC-coated Diamond MMCs, diamond particles are coated with SiC homogeneously by a reactive conversion method. MMCs are fabricated with no porosity and homogeneous diamond distribution using the gas pressure infiltration method. The diamond volume fraction was determined as 58%. The thermal conductivity of Aluminum/SiC-coated Diamond MMC was obtained over 500 W/m·K at room temperature. On the other hand, the thermal conductivity value of Aluminum/Diamond MMC containing uncoated diamond produced with the same parameters was determined below 400 W/m·K at room temperature. The specific heat capacity and thermal diffusivity of MMC containing SiC coated diamond particles were measured from room temperature to 200 °C. The results showed that Aluminum/SiC-coated Diamond MMC has a thermal conductivity value of above 450 W/m·K up to 200 °C. The coefficient of thermal expansion of Aluminum/SiC-coated Diamond MMC was measured, and the obtained value indicated suitability for thermal management applications in microelectronic circuits. The thermal conductivity stability tests were performed to investigate the effect of SiC coated diamond particles on the composites under service conditions. Three different types of thermal conductivity stability tests were applied; thermal durability, thermal shock, and wet-environment durability tests. The thermal conductivity of Aluminum/SiC coated Diamond MMC exhibited stability up to 500 °C in thermal durability tests and even remained stable for 120 hours at 500 °C. On the other hand, the thermal conductivity value of Aluminum/uncoated Diamond MMC decreased significantly in thermal durability tests. It was determined that the thermal conductivity value of Aluminum/SiC coated Diamond MMC remained stable during 50 thermal cycles between 300 °C and room temperature. The Aluminum/SiC coated Diamond MMC maintained its thermal conductivity value in distilled water at room temperature for 240 h. However, the thermal conductivity value of Aluminum/uncoated Diamond composite decreased under the same conditions. It was concluded that the coating of diamond particles with SiC significantly increased the moisture resistance of Aluminum/SiC coated Diamond MMC. Also, it has been determined that the degradation of the matrix in Aluminum/Diamond MMCs occurs by the crevice corrosion mechanism. The novelty of the thesis are the establishment of a unique gas pressure infiltration system that has a sensitive control system, and can operate at high pressure and high temperature, the fabrication of Aluminum/SiC coated Diamond MMC by use of gas pressure infiltration method, investigation of the effect of SiC coating on thermal conductivity during fabrication supported by thermodynamic calculations, determination of its thermal conductivity from room temperature to 200 °C, determination of its thermal expansion coefficient as a function of temperature between room temperature and 200 °C, determination of the effect of temperature on its thermal conductivity, determination of its thermal shock resistance and corrosion mechanism. In conclusion, this study demonstrates that Aluminum/SiC coated Diamond composites are promising new generation material candidates for electronics and other thermal management applications working under harsh environmental conditions.
Benzer Tezler
- Isıl yönetim uygulamaları için bakır-elmas kompozitlerinin elektroşekillendirme ile üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of electroformed copper-diamond composites for thermal management applications
BURAK EVREN
Doktora
Türkçe
2024
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN
- Copper - diamond composite fabrication by electroforming process for thermal management applications
Elektroşekillendirme ile üretilen ısıl yönetim amaçlı bakır - elmas kompozit kaplamalar
GÖKÇE EVREN
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN
- Al matrisli Al2O3 takviyeli kompozit malzemelerinin katı hal teknikleri ile kaynak edilebilirliğinin araştırılması
The investigation of weldability of al matrix-Al2O3 reinforced composite materials with solid state bonding methods
SONER BUYTOZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1999
Eğitim ve ÖğretimFırat ÜniversitesiMetalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NURİ ORHAN
- Sürtünme karıştırma metoduyla 5083 alüminyum alaşımına grafen tozu ilavesinin araştırılması
Investigation of graphene powder addition to 5083 aluminum alloy with friction stir method
ALI FEIZI
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine MühendisliğiGazi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ELMAS SALAMCİ