Da integrerede kredsløb i elektroniske enheder bliver mere og mere komplekse, og chipstørrelserne fortsætter med at krympe, forringer overdreven varmeakkumulering under drift enhedens ydeevne og kan endda forårsage kortslutninger og andre fejl. For at sikre stabil, sikker og effektiv drift af elektronisk udstyr er udviklingen af emballagematerialer med høj termisk ledningsevne, lav termisk udvidelseskoefficient, lav tæthed og fremragende bøjningsstyrke blevet et forskningsfokus.
01 Diamant/siliciumcarbid: En kraftfuld kombination til termisk styring
Diamant har den højeste termiske ledningsevne af ethvert naturligt forekommende materiale kendt af mennesket, kombineret med en lav termisk udvidelseskoefficient, høj styrke og hårdhed og fremragende kemisk stabilitet, hvilket gør det til et ideelt varmestyringsmateriale. Siliciumcarbid har også en lav termisk udvidelseskoefficient og overlegen varmeledningsevne. Ved at inkorporere diamant som en forstærkende fase i siliciumcarbid kan diamant/siliciumcarbid-kompositter med afstembare termiske udvidelseskoefficienter og høj varmeledningsevne opnås. Sammenlignet med diamant-forstærkede metalmatrixkompositter har diamant og siliciumcarbid lignende strukturer, og deres befugtningsevne og termisk ekspansionsmatch er meget bedre end dem mellem metaller og diamant.
02 Fremstillingsprocesser for diamant-/siliciumcarbidkompositter
Diamant er tilbøjelig til grafitisering ved høje temperaturer; den resulterende grafit har væsentligt lavere termisk ledningsevne og bøjningsstyrke end diamant. For at kunne fremstille diamant/siliciumcarbid-kompositter med succes er effektiv kontrol af diamantgrafitisering afgørende. Da siliciumcarbidmatrix ikke kan infiltreres direkte i en diamantpræform, opnås siliciumcarbidmatrixen typisk gennem silicium-carbon-reaktioner. De vigtigste fremstillingsprocesser for diamant/siliciumcarbid-kompositter er groft sagt som følger.
(1) Højtryks-højtemperatursintring (HPHT).
I HPHT-metoden blandes diamantmikropulver og rent siliciumpulver grundigt og udsættes derefter for høj temperatur og højt tryk for at gennemgå en in-situ-reaktion, der danner siliciumcarbid, hvilket i sidste ende giver diamant/siliciumcarbid-kompositter. Fordelen ved denne metode er, at under højtryksforhold undergår diamant ikke væsentlig grafitisering, og mellemrummene mellem diamantpartiklerne kan effektivt reduceres, hvilket giver kompositter med høj diamantvolumenfraktion og høj densitet. Imidlertid kræver højtryksprocessen dyrt udstyr og pålægger betydelige begrænsninger for formen af de fremstillede kompositter.
(2) Spark Plasma Sintering (SPS)
SPS ligner HPHT ved, at det sintrer og fortætter præformen under høj temperatur og tryk. Forskellen ligger i, at SPS bruger højenergiske elektriske gnister til at generere øjeblikkelig udledning mellem pulverpartikler, der producerer højtemperaturplasma, der frigiver en stor mængde varme. Derfor har SPS hurtige opvarmningshastigheder og korte sintringstider. Derudover er sintringstrykket i SPS lavere end i HPHT.
(3) Varm isostatisk presning (HIP)
I HIP-processen anbringes diamant- og siliciumpulver i en forseglet beholder og udsættes for lige tryk fra alle retninger, mens sintring og fortætning afsluttes ved forhøjede temperaturer. HIP opererer typisk ved tryk i intervallet flere hundrede megapascal. Dens fordele omfatter lavere sintringstryk og evnen til at producere større volumener og kompleksformede prøver. Processen er dog kompliceret og har lav produktionseffektivitet.
(4) Prækursorinfiltration og pyrolyse (PIP)
PIP-metoden bruger en siliciumcarbid-precursor (polycarbosilan), der opvarmes og pyrolyseres til dannelse af siliciumcarbid, som derefter tjener som matrix, der binder diamantpartiklerne sammen. Fordelene ved denne proces er lav sintringstemperatur, mulighed for storskala eller kompleksformede prøver og ingen resterende silicium i kompositten. På grund af det lave omdannelsesudbytte af precursoren kræves der imidlertid ofte flere cyklusser for at forbedre densiteten.
(5) Kemisk dampinfiltration (CVI)
CVI er en relativt mild proces; ved de lave infiltrationstemperaturer forbliver diamantpartikler stabile, og grafitisering undgås. Sammenlignet med andre teknikker er siliciumcarbidfasen afledt af kemisk dampaflejring på materialets overflade, så siliciumfasen kan elimineres fuldstændigt under CVI-processen. Kompositmaterialer fremstillet ved denne metode har relativt lav densitet og bruges typisk til fremstilling af tyndpladeprøver.
(6) Reaktiv infiltration (RI)
RI er en fortætningsproces, hvor et fast stof smeltes ved opvarmning og infiltreres i en forberedt præform. Afhængigt af befugtningsevnen mellem armeringen og matrixen, kan enten trykassisteret eller trykløs infiltration anvendes.
I denne proces blandes diamantpartikler og grafitpulver ensartet med harpiks brugt som bindemiddel og koldpresses eller varmpresses derefter til en præform. Præformen udsættes derefter for afbinding og pyrolyse for fuldstændigt at carbonisere bindemidlet og øge præformens porøsitet. Endelig udføres siliciuminfiltration ved opvarmning i vakuum eller en inert atmosfære. Under infiltration reagerer flydende silicium med det pyrolytiske kulstof og det tilsatte grafitpulver og danner siliciumcarbid. Efter kulstofreaktionen er afsluttet, fyldes de resterende porer i præformen med flydende silicium, hvilket resulterer i en tæt diamant/siliciumcarbid-komposit. Sammenlignet med andre processer kræver RI ikke komplekse procedurer eller dyrt udstyr; processen er enkel, men muliggør en næsten-net-form dannelse af kompositten.