Како интегрисана кола у електронским уређајима постају све сложенија, а величине чипа настављају да се смањују, прекомерна акумулација топлоте током рада деградира перформансе уређаја и чак може изазвати кратке спојеве и друге кварове. Да би се обезбедио стабилан, безбедан и ефикасан рад електронске опреме, развој материјала за паковање са високом топлотном проводљивошћу, ниским коефицијентом топлотног ширења, малом густином и одличном чврстоћом на савијање постао је фокус истраживања.
01 Дијамант/силицијум карбид: Снажна комбинација за управљање топлотом
Дијамант има највећу топлотну проводљивост од било ког природног материјала познатог човеку, у комбинацији са ниским коефицијентом топлотног ширења, високом чврстоћом и тврдоћом и одличном хемијском стабилношћу, што га чини идеалним материјалом за управљање топлотом. Силицијум карбид такође поседује низак коефицијент топлотног ширења и супериорну топлотну проводљивост. Уграђивањем дијаманта као ојачавајуће фазе у силицијум карбид, могу се постићи композити дијамант/силицијум карбид са подесивим коефицијентима топлотног ширења и високом топлотном проводљивошћу. У поређењу са дијамантом-ојачаним металним матричним композитима, дијамант и силицијум карбид имају сличну структуру, а њихова влажност и усклађеност термичког ширења су много бољи од оних између метала и дијаманта.
02 Процеси производње за композите дијаманта/силицијум карбида
Дијамант је склон графитизацији на високим температурама; добијени графит има знатно нижу топлотну проводљивост и чврстоћу на савијање од дијаманта. Да би се успешно произвели композити дијамант/силицијум карбид, неопходна је ефикасна контрола графитизације дијаманата. Пошто се матрица силицијум карбида не може директно инфилтрирати у дијамантску предформу, матрица силицијум карбида се обично добија реакцијама силицијум-угљеник. Главни процеси производње за композите дијамант/силицијум карбид су отприлике следећи.
(1) Високотемпературно синтеровање под високим притиском (ХПХТ)
У ХПХТ методи, дијамантски микропрашак и чисти силицијум у праху се темељно мешају, а затим се подвргавају високој температури и високом притиску да би се подвргли ин-ситу реакцији формирајући силицијум карбид, чиме се на крају добијају композити дијамант/силицијум карбид. Предност ове методе је у томе што у условима високог притиска дијамант не пролази кроз значајну графитизацију, а празнине између дијамантских честица се могу ефикасно смањити, производећи композите са великом запреминском фракцијом дијаманата и високом густином. Међутим, процес високог притиска захтева скупу опрему и намеће значајна ограничења на облик произведених композита.
(2) Спарк Пласма Синтеринг (СПС)
СПС је сличан ХПХТ-у по томе што синтерује и згушњава предформу под високом температуром и притиском. Разлика је у томе што СПС користи високоенергетске електричне варнице за стварање тренутног пражњења између честица праха, производећи високотемпературну плазму која ослобађа велику количину топлоте. Стога, СПС карактерише брзе стопе загревања и кратко време синтеровања. Поред тога, притисак синтеровања у СПС је нижи од оног у ХПХТ.
(3) Вруће изостатичко пресовање (ХИП)
У ХИП процесу, дијамантски и силицијумски прах се стављају у запечаћену посуду и подвргавају се једнаком притиску из свих праваца, док се синтеровање и згушњавање завршавају на повишеним температурама. ХИП обично ради при притисцима у распону од неколико стотина мегапаскала. Његове предности укључују нижи притисак синтеровања и могућност производње већих запремина и узорака сложеног облика. Међутим, процес је компликован и има ниску ефикасност производње.
(4) Инфилтрација прекурсора и пиролиза (ПИП)
ПИП метода користи претходник силицијум карбида (поликарбосилан) који се загрева и пиролизује да би се формирао силицијум карбид, који затим служи као матрица која повезује честице дијаманата заједно. Предности овог процеса су ниска температура синтеровања, могућност за велике узорке или узорке сложеног облика и без заосталог силицијума у композиту. Међутим, због ниског приноса конверзије прекурсора, често је потребно више циклуса да би се побољшала густина.
(5) Инфилтрација хемијске паре (ЦВИ)
ЦВИ је релативно благ процес; на ниским температурама инфилтрације, честице дијаманата остају стабилне и избегава се графитизација. У поређењу са другим техникама, фаза силицијум карбида се добија хемијским таложењем паре на површини материјала, тако да се силицијумска фаза може потпуно елиминисати током ЦВИ процеса. Композити припремљени овом методом имају релативно малу густину и обично се користе за производњу узорака танких листова.
(6) Реактивна инфилтрација (РИ)
РИ је процес згушњавања у коме се чврста материја топи загревањем и инфилтрира у припремљену предформу. У зависности од влажења између арматуре и матрице, може се применити инфилтрација под притиском или инфилтрација без притиска.
У овом процесу, честице дијаманата и графитни прах се равномерно мешају, са смолом која се користи као везиво, а затим хладно пресована или топло пресована да би се формирала предформа. Предформа се затим подвргава уклањању везивања и пиролизи да би се везиво потпуно карбонизирало и повећала порозност предформе. Коначно, инфилтрација силицијума се врши загревањем у вакууму или инертној атмосфери. Током инфилтрације, течни силицијум реагује са пиролитичким угљеником и додатим графитним прахом да би се формирао силицијум карбид. Након што је реакција угљеника завршена, преостале поре у предформи су испуњене течним силицијумом, што резултира густим композитом дијамант/силицијум карбид. У поређењу са другим процесима, РИ не захтева сложене процедуре или скупу опрему; процес је једноставан, али омогућава формирање композита у облику скоро мреже.