Kako integrirani krugovi u elektroničkim uređajima postaju sve složeniji, a veličine čipa nastavljaju da se smanjuju, prekomjerna akumulacija topline tijekom rada pogoršava performanse uređaja i čak može uzrokovati kratke spojeve i druge kvarove. Kako bi se osigurao stabilan, siguran i efikasan rad elektroničke opreme, razvoj ambalažnih materijala visoke toplinske provodljivosti, niskog koeficijenta toplinske ekspanzije, male gustine i odlične čvrstoće na savijanje postao je fokus istraživanja.
01 Dijamant/silicijum karbid: Snažna kombinacija za upravljanje toplotom
Dijamant ima najveću toplotnu provodljivost od bilo kojeg prirodnog materijala poznatog čovjeku, u kombinaciji s niskim koeficijentom toplinske ekspanzije, visokom čvrstoćom i tvrdoćom i odličnom kemijskom stabilnošću, što ga čini idealnim materijalom za upravljanje toplinom. Silicijum karbid takođe poseduje nizak koeficijent toplotnog širenja i superiornu toplotnu provodljivost. Ugrađivanjem dijamanta kao ojačavajuće faze u silicijum karbid, mogu se postići kompoziti dijamant/silicijum karbid sa podesivim koeficijentima toplotnog širenja i visokom toplotnom provodljivošću. U poređenju sa dijamantom-ojačanim metalnim matričnim kompozitima, dijamant i silicijum karbid imaju sličnu strukturu, a njihova vlažnost i usklađenost termičkog širenja su mnogo bolji od onih između metala i dijamanta.
02 Procesi proizvodnje za kompozite dijamant/silicijum karbid
Dijamant je sklon grafitizaciji na visokim temperaturama; dobijeni grafit ima znatno nižu toplotnu provodljivost i čvrstoću na savijanje od dijamanta. Za uspješnu proizvodnju kompozita dijamant/silicijum karbid, neophodna je efikasna kontrola grafitizacije dijamanata. Budući da se matrica od silicijum karbida ne može direktno infiltrirati u dijamantsku predformu, matrica od silicijum karbida se obično dobija reakcijom silicijum-ugljik. Glavni procesi proizvodnje za kompozite dijamant/silicijum karbid su otprilike sljedeći.
(1) Visoko-tlačno visokotemperaturno (HPHT) sinteriranje
U HPHT metodi, dijamantski mikroprašak i čisti silicijum u prahu se temeljno miješaju, a zatim se podvrgavaju visokoj temperaturi i visokom pritisku kako bi se podvrgli in-situ reakciji formirajući silicijum karbid, čime se na kraju dobijaju kompoziti dijamant/silicijum karbid. Prednost ove metode je u tome što u uslovima visokog pritiska dijamant ne prolazi kroz značajnu grafitizaciju, a praznine između dijamantskih čestica se mogu efikasno smanjiti, proizvodeći kompozite sa velikim volumnim udelom dijamanata i velikom gustinom. Međutim, proces pod visokim pritiskom zahtijeva skupu opremu i nameće značajna ograničenja na oblik proizvedenih kompozita.
(2) Spark Plasma Sintering (SPS)
SPS je sličan HPHT-u po tome što sinteruje i zgušnjava predformu pod visokom temperaturom i pritiskom. Razlika je u tome što SPS koristi visokoenergetske električne iskre za stvaranje trenutnog pražnjenja između čestica praha, proizvodeći visokotemperaturnu plazmu koja oslobađa veliku količinu topline. Stoga, SPS karakteriše brze stope zagrevanja i kratko vreme sinterovanja. Pored toga, pritisak sinterovanja u SPS je niži od onog u HPHT.
(3) Vruće izostatičko prešanje (HIP)
U HIP procesu, dijamantski i silicijumski prah se stavljaju u zatvorenu posudu i podvrgavaju se jednakom pritisku iz svih pravaca, dok se sinterovanje i zgušnjavanje završavaju na povišenim temperaturama. HIP tipično radi pri pritiscima u rasponu od nekoliko stotina megapaskala. Njegove prednosti uključuju niži pritisak sinterovanja i mogućnost proizvodnje većih količina i uzoraka složenog oblika. Međutim, proces je komplikovan i ima nisku efikasnost proizvodnje.
(4) Infiltracija prekursora i piroliza (PIP)
PIP metoda koristi prekursor silicijum karbida (polikarbosilan) koji se zagrijava i pirolizira kako bi se formirao silicijum karbid, koji zatim služi kao matrica koja povezuje čestice dijamanata zajedno. Prednosti ovog procesa su niska temperatura sinterovanja, mogućnost za uzorke velikih razmjera ili složenih oblika i bez zaostalog silicija u kompozitu. Međutim, zbog niskog prinosa konverzije prekursora, često je potrebno više ciklusa da bi se poboljšala gustoća.
(5) Infiltracija hemijske pare (CVI)
CVI je relativno blag proces; na niskim temperaturama infiltracije, čestice dijamanata ostaju stabilne i izbjegava se grafitizacija. U poređenju sa drugim tehnikama, faza silicijum karbida se dobija hemijskim taloženjem pare na površini materijala, tako da se silicijumska faza može potpuno eliminisati tokom CVI procesa. Kompoziti pripremljeni ovom metodom imaju relativno malu gustoću i obično se koriste za proizvodnju uzoraka tankih listova.
(6) Reaktivna infiltracija (RI)
RI je proces zgušnjavanja u kojem se čvrsta tvar topi zagrijavanjem i infiltrira u pripremljenu predformu. Ovisno o vlaženju između armature i matrice, može se primijeniti ili infiltracija pod pritiskom ili infiltracija bez pritiska.
U ovom procesu, čestice dijamanata i grafitni prah se jednolično miješaju, sa smolom koja se koristi kao vezivo, a zatim se hladno ili vruće presuju kako bi se formirala predforma. Predforma se zatim podvrgava odvezivanju i pirolizi kako bi se vezivo potpuno karboniziralo i povećala poroznost predforme. Konačno, infiltracija silikona se provodi zagrijavanjem u vakuumu ili inertnoj atmosferi. Tokom infiltracije, tečni silicijum reaguje sa pirolitičkim ugljenikom i dodatim grafitnim prahom da bi se formirao silicijum karbid. Nakon što je reakcija ugljika završena, preostale pore u predformi se pune tekućim silicijumom, što rezultira gustim kompozitom dijamant/silicijum karbid. U poređenju sa drugim procesima, RI ne zahteva složene procedure ili skupu opremu; proces je jednostavan, ali omogućava formiranje kompozita u obliku skoro mreže.