Kako integrirani krugovi u elektroničkim uređajima postaju sve složeniji, a veličine čipova i dalje se smanjuju, prekomjerno nakupljanje topline tijekom rada pogoršava performanse uređaja i može čak uzrokovati kratke spojeve i druge kvarove. Kako bi se osigurao stabilan, siguran i učinkovit rad elektroničke opreme, razvoj materijala za pakiranje s visokom toplinskom vodljivošću, niskim koeficijentom toplinskog širenja, malom gustoćom i izvrsnom čvrstoćom na savijanje postao je fokus istraživanja.
01 Dijamant/silicijev karbid: moćna kombinacija za upravljanje toplinom
Dijamant ima najveću toplinsku vodljivost od bilo kojeg prirodnog materijala poznatog čovjeku, u kombinaciji s niskim koeficijentom toplinskog širenja, velikom čvrstoćom i tvrdoćom te izvrsnom kemijskom stabilnošću, što ga čini idealnim materijalom za upravljanje toplinom. Silicijev karbid također ima nizak koeficijent toplinske ekspanzije i vrhunsku toplinsku vodljivost. Ugradnjom dijamanta kao faze za pojačanje u silicijev karbid mogu se postići kompoziti dijamant/silicijev karbid s podesivim koeficijentima toplinske ekspanzije i visokom toplinskom vodljivošću. U usporedbi s kompozitima -metalne matrice ojačane dijamantom, dijamant i silicijev karbid imaju slične strukture, a njihova sposobnost vlaženja i toplinska ekspanzija su mnogo bolje nego one između metala i dijamanta.
02 Postupci izrade dijamantnih/silicijevih karbidnih kompozita
Dijamant je sklon grafitizaciji na visokim temperaturama; dobiveni grafit ima značajno nižu toplinsku vodljivost i čvrstoću na savijanje od dijamanta. Za uspješnu proizvodnju kompozita dijamant/silicijev karbid bitna je učinkovita kontrola grafitizacije dijamanta. Budući da se matrica silicij-karbida ne može izravno infiltrirati u dijamantni preform, matrica silicij-karbida obično se dobiva reakcijama silicij-ugljik. Glavni procesi izrade kompozita dijamant/silicijev karbid su otprilike sljedeći.
(1) Visokotlačno visokotemperaturno sinterovanje (HPHT).
U HPHT metodi, dijamantni mikroprah i prah čistog silicija temeljito se miješaju, a zatim podvrgavaju visokoj temperaturi i visokom tlaku kako bi se podvrgnuli reakciji na licu mjesta stvarajući silicijev karbid, čime se na kraju dobivaju kompoziti dijamant/silicijev karbid. Prednost ove metode je u tome što u uvjetima visokog tlaka dijamant ne prolazi kroz značajnu grafitizaciju, a razmaci između dijamantnih čestica mogu se učinkovito smanjiti, proizvodeći kompozite s visokim volumnim udjelom dijamanta i velikom gustoćom. Međutim, proces pod visokim pritiskom zahtijeva skupu opremu i nameće značajna ograničenja na oblik proizvedenih kompozita.
(2) Sinteriranje plazmom iskre (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 električne iskre visoke energije za stvaranje trenutnog pražnjenja između čestica praha, proizvodeći visokotemperaturnu plazmu koja oslobađa veliku količinu topline. Stoga SPS ima brze stope zagrijavanja i kratko vrijeme sinteriranja. Osim toga, tlak sinteriranja u SPS je niži od onog u HPHT.
(3) Vruće izostatičko prešanje (HIP)
U HIP procesu, dijamantni i silicijski prah stavljaju se u zatvorenu posudu i podvrgavaju jednakom pritisku iz svih smjerova, dok se sinteriranje i zgušnjavanje dovršavaju na povišenim temperaturama. HIP obično radi na tlakovima u rasponu od nekoliko stotina megapaskala. Njegove prednosti uključuju niži tlak sinteriranja i mogućnost proizvodnje većih volumena i uzoraka složenog oblika. Međutim, proces je kompliciran i ima nisku proizvodnu učinkovitost.
(4) Prekursorska infiltracija i piroliza (PIP)
PIP metoda koristi prekursor silicijevog karbida (polikarbosilane) koji se zagrijava i pirolizira kako bi se formirao silicijev karbid, koji zatim služi kao matrica koja povezuje dijamantne čestice. Prednosti ovog procesa su niska temperatura sinteriranja, mogućnost za uzorke velikih razmjera ili složenih oblika i nedostatak zaostalog silicija u kompozitu. Međutim, zbog niskog stupnja konverzije prekursora, često su potrebni višestruki ciklusi za poboljšanje gustoće.
(5) Infiltracija kemijskom parom (CVI)
CVI je relativno blag proces; pri niskim temperaturama infiltracije dijamantne čestice ostaju stabilne i izbjegava se grafitizacija. U usporedbi s drugim tehnikama, faza silicijevog karbida nastaje taloženjem kemijske pare na površini materijala, tako da se faza silicija može potpuno eliminirati tijekom CVI procesa. Kompoziti pripremljeni ovom metodom imaju relativno nisku gustoću i obično se koriste za proizvodnju tankih pločastih uzoraka.
(6) Reaktivna infiltracija (RI)
RI je proces zgušnjavanja u kojem se krutina rastali zagrijavanjem i infiltrira u pripremljeni predsklop. Ovisno o moći vlaženja između armature i matrice, može se primijeniti infiltracija potpomognuta pritiskom ili infiltracija bez pritiska.
U ovom procesu, čestice dijamanta i grafitni prah se jednolično miješaju, sa smolom koja se koristi kao vezivo, a zatim se hladno ili vruće prešaju kako bi se formirao predforma. Pretforma se zatim podvrgava uklanjanju veziva i pirolizi kako bi se vezivo potpuno karboniziralo i povećala poroznost predforme. Konačno, infiltracija silicija se provodi zagrijavanjem u vakuumu ili inertnoj atmosferi. Tijekom infiltracije, tekući silicij reagira s pirolitičkim ugljikom i dodanim grafitnim prahom da nastane silicijev karbid. Nakon dovršetka reakcije ugljika, preostale pore u predformi ispunjavaju se tekućim silicijem, što rezultira gustim dijamantom/silicijevim karbidom. U usporedbi s drugim procesima, RI ne zahtijeva složene postupke niti skupu opremu; postupak je jednostavan, ali omogućuje oblikovanje gotovo neto oblika kompozita.