Ponieważ układy scalone w urządzeniach elektronicznych stają się coraz bardziej złożone, a rozmiary chipów stale się kurczą, nadmierna akumulacja ciepła podczas pracy pogarsza wydajność urządzenia, a nawet może powodować zwarcia i inne awarie. Aby zapewnić stabilną, bezpieczną i wydajną pracę sprzętu elektronicznego, w centrum badań stał się rozwój materiałów opakowaniowych o wysokiej przewodności cieplnej, niskim współczynniku rozszerzalności cieplnej, małej gęstości i doskonałej wytrzymałości na zginanie.
01 Diament/węglik krzemu: wydajna kombinacja zapewniająca zarządzanie temperaturą
Diament ma najwyższą przewodność cieplną ze wszystkich znanych człowiekowi naturalnie występujących materiałów, w połączeniu z niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej, wysoką wytrzymałością i twardością oraz doskonałą stabilnością chemiczną, co czyni go idealnym materiałem do zarządzania ciepłem. Węglik krzemu ma również niski współczynnik rozszerzalności cieplnej i doskonałą przewodność cieplną. Dzięki włączeniu diamentu jako fazy wzmacniającej do węglika krzemu można uzyskać kompozyty diament/węglik krzemu o regulowanych współczynnikach rozszerzalności cieplnej i wysokiej przewodności cieplnej. W porównaniu z kompozytami z osnową metaliczną-wzmocnioną diamentem, diament i węglik krzemu mają podobną strukturę, a ich zwilżalność i rozszerzalność cieplna są znacznie lepsze niż w przypadku metali i diamentu.
02 Procesy wytwarzania kompozytów diamentu/węglika krzemu
Diament jest podatny na grafityzację w wysokich temperaturach; powstały grafit ma znacznie niższą przewodność cieplną i wytrzymałość na zginanie niż diament. Aby skutecznie wytwarzać kompozyty diament/węglik krzemu, niezbędna jest skuteczna kontrola grafityzacji diamentu. Ponieważ osnowy z węglika krzemu nie można bezpośrednio infiltrować do preformy diamentowej, osnowę z węglika krzemu zazwyczaj otrzymuje się w reakcjach krzem-węgiel. Główne procesy wytwarzania kompozytów diament/węglik krzemu są z grubsza następujące.
(1) Spiekanie wysokociśnieniowe i wysokotemperaturowe (HPHT).
W metodzie HPHT mikroproszek diamentowy i czysty proszek krzemu są dokładnie mieszane, a następnie poddawane działaniu wysokiej temperatury i wysokiego ciśnienia, aby przejść reakcję in situ, w wyniku której powstaje węglik krzemu, w wyniku czego ostatecznie powstają kompozyty diament/węglik krzemu. Zaletą tej metody jest to, że w warunkach wysokiego ciśnienia diament nie ulega znacznej grafityzacji, a szczeliny pomiędzy cząstkami diamentu można skutecznie zmniejszyć, uzyskując kompozyty o dużym udziale objętościowym diamentu i dużej gęstości. Jednakże proces wysokociśnieniowy wymaga drogiego sprzętu i nakłada znaczne ograniczenia na kształt wytwarzanych kompozytów.
(2) Iskrowe spiekanie plazmowe (SPS)
SPS jest podobny do HPHT w tym sensie, że spieka i zagęszcza preformę pod wpływem wysokiej temperatury i ciśnienia. Różnica polega na tym, że SPS wykorzystuje wysokoenergetyczne iskry elektryczne do generowania natychmiastowego wyładowania pomiędzy cząsteczkami proszku, wytwarzając plazmę o wysokiej temperaturze, która uwalnia dużą ilość ciepła. Dlatego SPS charakteryzuje się dużą szybkością nagrzewania i krótkim czasem spiekania. Ponadto ciśnienie spiekania w SPS jest niższe niż w HPHT.
(3) Prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP)
W procesie HIP proszki diamentowe i krzemowe umieszcza się w szczelnym pojemniku i poddaje równomiernemu ciśnieniu ze wszystkich stron, a spiekanie i zagęszczanie kończy się w podwyższonych temperaturach. HIP zazwyczaj działa przy ciśnieniach w zakresie kilkuset megapaskali. Do jego zalet należy niższe ciśnienie spiekania oraz możliwość wytwarzania większych objętości i próbek o skomplikowanych kształtach. Jednakże proces ten jest skomplikowany i charakteryzuje się niską wydajnością produkcyjną.
(4) Infiltracja prekursorów i piroliza (PIP)
Metoda PIP wykorzystuje prekursor węglika krzemu (polikarbosilan), który jest podgrzewany i poddawany pirolizie w celu wytworzenia węglika krzemu, który następnie służy jako matryca wiążąca razem cząstki diamentu. Zaletami tego procesu są niska temperatura spiekania, możliwość obróbki próbek o dużych rozmiarach lub o skomplikowanych kształtach oraz brak pozostałości krzemu w kompozycie. Jednakże, ze względu na niską wydajność konwersji prekursora, często wymagane jest wiele cykli w celu poprawy gęstości.
(5) Infiltracja par chemicznych (CVI)
CVI jest procesem stosunkowo łagodnym; w niskich temperaturach infiltracji cząstki diamentu pozostają stabilne i unika się grafityzacji. W porównaniu z innymi technikami faza węglika krzemu powstaje w wyniku chemicznego osadzania z fazy gazowej na powierzchni materiału, dzięki czemu fazę krzemu można całkowicie wyeliminować podczas procesu CVI. Kompozyty otrzymane tą metodą charakteryzują się stosunkowo małą gęstością i zazwyczaj wykorzystywane są do wytwarzania próbek cienkowarstwowych.
(6) Infiltracja reaktywna (RI)
RI to proces zagęszczania, podczas którego ciało stałe topi się poprzez ogrzewanie i infiltruje do przygotowanej preformy. W zależności od zwilżalności zbrojenia i osnowy można zastosować infiltrację wspomaganą lub bezciśnieniową.
W tym procesie cząstki diamentu i proszek grafitowy są równomiernie mieszane, a żywica stosowana jest jako spoiwo, a następnie prasowane na zimno lub na gorąco w celu utworzenia preformy. Preformę poddaje się następnie odklejaniu i pirolizie w celu całkowitego zwęglenia spoiwa i zwiększenia porowatości preformy. Na koniec infiltrację krzemu przeprowadza się poprzez ogrzewanie w próżni lub atmosferze obojętnej. Podczas infiltracji ciekły krzem reaguje z węglem pirolitycznym i dodanym proszkiem grafitowym, tworząc węglik krzemu. Po zakończeniu reakcji węglowej pozostałe pory w preformie wypełnia się ciekłym krzemem, w wyniku czego powstaje gęsty kompozyt diament/węglik krzemu. W porównaniu z innymi procesami, RI nie wymaga skomplikowanych procedur ani drogiego sprzętu; proces jest prosty, ale umożliwia formowanie kompozytu w kształcie zbliżonym do netto.