Fabricación y caracterización de materiales compuestos al/diamante para aplicaciones de disipación de calor en electrónica

Resumen

Resumen y estructura de la tesis La presente tesis doctoral titulada "Fabricación y caracterización de materiales compuestos Al/diamante para aplicaciones en disipación de calor en electrónica", se ha estructurado teniendo en cuenta que se presenta por compendio de publicaciones. Por este motivo, los primeros capítulos han sido desarrollados para ampliar y complementar la información contenida en las tres publicaciones mostradas. En el capítulo 1, se resumen, a modo de introducción general, aspectos relacionados con la industria electrónica, sus expectativas de crecimiento y principales desafíos tecnológicos relacionados con el calentamiento de los equipos electrónicos, que conllevan a la búsqueda de materiales con los que se pretende satisfacer no solamente las necesidades actuales sino futuras. En este sentido, se resalta la importancia de los materiales usados en la disipación de calor, las características requeridas para esta aplicación y por qué los materiales basados en diamante representan una de las mejores opciones. En los últimos años, la utilización de diamante como material de refuerzo en materiales compuestos de matriz metálica ha despertado el interés de la comunidad científica, especialmente aquellos fabricados por medio de la técnica de infiltración en estado líquido, tal como se evidencia en el número de citas anuales (Thomson Reuters Web of Science). En materiales compuestos fabricados por estas técnicas, se ha encontrado que de forma directa y/o indirecta existe una relación entre las características de cada una de las fases (metal, diamante e interfase) y las condiciones experimentales con las propiedades térmicas del material. Dentro de las técnicas de infiltración en estado líquido, la infiltración por presión de gas es una de las más estudiadas debido a que permite controlar las condiciones de fabricación de los materiales compuestos (MC). En ésta investigación se estudia gran parte de las variables que afectan dicha técnica de infiltración y se establece su relación con la conductividad térmica de los materiales, lo cual es la base fundamental de los artículos publicados. A partir del conocimiento de las necesidades y del estado actual de la tecnología, en el capítulo 2 se plantea la hipótesis y los objetivos de la tesis. El capítulo 3 por su parte, está basado en los materiales y métodos; se plasman aspectos generales del diamante particulado, tales como: origen, aspectos económicos y se describen los procedimientos seguidos para la caracterización de las partículas. Asimismo, se resumen las propiedades del aluminio usado como matriz metálica además de mostrar de forma detallada el proceso de fabricación y la caracterización de los materiales compuestos. El capítulo 4 está conformado por los artículos adjuntados con el formato final de cada revista. En el primer artículo, relacionado con el desarrollo de un procedimiento para caracterizar la reactividad y selectividad de la interfase Al-diamante, se evidencian los desafíos que supone acceder a la interfase en este tipo de materiales; como consecuencia de la gran dureza del diamante que impide el uso de técnicas tradicionales y estándares de pulido. El procedimiento desarrollado hace uso de la conductividad eléctrica del aluminio y tiene en cuenta la higroscopicidad del principal producto interfacial; además, es no destructivo y conserva la morfología del material. Adicionalmente, presenta un aporte al entendimiento de la reactividad del diamante, específicamente a la selectividad de sus diferentes orientaciones cristalográficas. Este aspecto ha sido publicado por otros autores siendo ampliamente difundido; sin embargo, en este artículo se ha demostrado que el procedimiento de limpieza de los materiales y/o las condiciones de fabricación puede incidir en lo que hasta el momento se había denominado "selectividad". El procedimiento es confiable y reproducible, lo cual ha permitido el estudio de los materiales fabricados a diferentes condiciones experimentales y de esta manera correlacionar la reactividad interfacial con la conductividad térmica, que es una de las bases del segundo artículo. La segunda publicación basada en la optimización de las condiciones de procesado de materiales compuestos Al/diamante, evidencia que las condiciones estudiadas, de temperatura de infiltración y tiempo de contacto, tienen una estrecha relación con los valores finales de la conductividad térmica del material. Este hecho es uno de los principales aportes, pues resalta que en sistemas reactivos existen diversos aspectos experimentales a considerar. Los estudios de la interfase Al-diamante llevados a cabo en las diferentes muestras, han permitido una posible explicación para la correlación entre las características interfaciales y los valores de conductividad térmica, basados en la formación de Al4C3 y en la solubilidad de los átomos de carbono en la matriz metálica. En el tercer artículo se estudia el efecto de la calidad del diamante en la conductividad térmica de los materiales en función de las condiciones de fabricación. Para ello se han utilizado partículas de diamante de tres calidades diferentes, es decir, distinto coste comercial y se ha realizado su caracterización de acuerdo a aspectos morfológicos y de composición química. En esta publicación se destaca que, aún con partículas consideradas de baja calidad, es posible obtener elevados valores de conductividad térmica, siempre que se controlen las condiciones experimentales. Otro aspecto relevante es la revisión bibliográfica y la discusión planteada sobre los valores publicados por diversos autores para la conductancia térmica interfacial Al-diamante, resaltándose que en sistemas reactivos, un único valor no caracteriza al sistema en general, pues es necesario tener en cuenta las condiciones de procesado. Por último, en el capítulo 5, se analizan los resultados globales de las tres publicaciones, las repercusiones y su contribución al entendimiento de los MC Al/diamante. Finalmente, se presentan las conclusiones globales. En general, en esta tesis se evidencia la rica fenomenología que hay detrás de la reacción entre el diamante y el aluminio, enmarcada en el estudio de los distintos aspectos considerados relevantes. Se demuestra que este tipo de materiales presenta un comportamiento bastante interesante, con características que le otorgan un gran potencial para sus aplicaciones de disipación de calor en equipos electrónicos.