Ker postajajo integrirana vezja v elektronskih napravah vedno bolj zapletena in se velikosti čipov še vedno manjšajo, prekomerno kopičenje toplote med delovanjem poslabša delovanje naprave in lahko celo povzroči kratke stike in druge okvare. Da bi zagotovili stabilno, varno in učinkovito delovanje elektronske opreme, je razvoj embalažnih materialov z visoko toplotno prevodnostjo, nizkim koeficientom toplotnega raztezanja, nizko gostoto in odlično upogibno trdnostjo postal raziskovalno središče.
01 Diamant/silicijev karbid: zmogljiva kombinacija za upravljanje toplote
Diamant ima največjo toplotno prevodnost med vsemi naravnimi materiali, ki jih pozna človek, v kombinaciji z nizkim koeficientom toplotnega raztezanja, visoko trdnostjo in trdoto ter odlično kemično stabilnostjo, zaradi česar je idealen material za upravljanje toplote. Silicijev karbid ima tudi nizek koeficient toplotnega raztezanja in vrhunsko toplotno prevodnost. Z vključitvijo diamanta kot ojačitvene faze v silicijev karbid je mogoče doseči kompozite diamant/silicijev karbid z nastavljivimi koeficienti toplotne razteznosti in visoko toplotno prevodnostjo. V primerjavi z diamantno-kompoziti s kovinsko matriko imata diamant in silicijev karbid podobno strukturo, njuna omočljivost in toplotna razteznost pa sta veliko boljša kot pri kovinah in diamantu.
02 Postopki izdelave kompozitov diamant/silicijev karbid
Diamant je nagnjen k grafitizaciji pri visokih temperaturah; nastali grafit ima bistveno nižjo toplotno prevodnost in upogibno trdnost kot diamant. Za uspešno izdelavo kompozitov diamant/silicijev karbid je bistvenega pomena učinkovit nadzor diamantne grafitizacije. Ker matrike iz silicijevega karbida ni mogoče neposredno infiltrirati v diamantno predobliko, se matrika iz silicijevega karbida običajno pridobi z reakcijami silicij-ogljik. Glavni postopki izdelave kompozitov diamant/silicijev karbid so približno naslednji.
(1) Visokotlačno visokotemperaturno sintranje (HPHT).
Pri metodi HPHT se diamantni mikroprah in čisti silicijev prah temeljito premešata in nato izpostavita visoki temperaturi in visokemu tlaku, da se podvržeta reakciji in situ, pri kateri nastane silicijev karbid, pri čemer na koncu nastanejo kompoziti diamant/silicijev karbid. Prednost te metode je, da v pogojih visokega tlaka diamant ni podvržen znatni grafitizaciji in je mogoče učinkovito zmanjšati vrzeli med diamantnimi delci, s čimer nastanejo kompoziti z visokim volumskim deležem diamanta in visoko gostoto. Vendar visokotlačni postopek zahteva drago opremo in nalaga znatne omejitve glede oblike izdelanih kompozitov.
(2) Sintranje s plazemsko iskro (SPS)
SPS je podoben HPHT v tem, da sintra in zgosti predobliko pod visoko temperaturo in tlakom. Razlika je v tem, da SPS uporablja visokoenergijske električne iskre za ustvarjanje trenutne razelektritve med praškastimi delci, pri čemer nastane visokotemperaturna plazma, ki sprošča veliko količino toplote. Zato ima SPS hitre stopnje segrevanja in kratke čase sintranja. Poleg tega je tlak sintranja v SPS nižji od tistega v HPHT.
(3) Vroče izostatično stiskanje (HIP)
V procesu HIP se diamantni in silicijevi prah postavijo v zaprto posodo in izpostavijo enakemu pritisku iz vseh smeri, medtem ko se sintranje in zgoščevanje zaključi pri povišanih temperaturah. HIP običajno deluje pri tlakih v območju nekaj sto megapaskalov. Njegove prednosti vključujejo nižji tlak sintranja in možnost izdelave večjih volumnov in vzorcev kompleksnih oblik. Vendar je postopek zapleten in ima nizko proizvodno učinkovitost.
(4) Prekurzorska infiltracija in piroliza (PIP)
Metoda PIP uporablja prekurzor silicijevega karbida (polikarbosilana), ki se segreje in pirolizira, da nastane silicijev karbid, ki nato služi kot matrika, ki povezuje diamantne delce. Prednosti tega postopka so nizka temperatura sintranja, zmožnost za obsežne vzorce ali vzorce zapletenih oblik in brez ostankov silicija v kompozitu. Vendar pa je zaradi nizkega izkoristka pretvorbe predhodnika pogosto potrebnih več ciklov za izboljšanje gostote.
(5) Infiltracija s kemičnimi hlapi (CVI)
CVI je razmeroma blag proces; pri nizkih temperaturah infiltracije ostanejo diamantni delci stabilni in se izognemo grafitizaciji. V primerjavi z drugimi tehnikami je faza silicijevega karbida pridobljena s kemičnim naparjevanjem na površino materiala, tako da je mogoče fazo silicija popolnoma odstraniti med postopkom CVI. Kompoziti, pripravljeni s to metodo, imajo relativno nizko gostoto in se običajno uporabljajo za izdelavo vzorcev v tankih ploščah.
(6) Reaktivna infiltracija (RI)
RI je postopek zgoščevanja, pri katerem se trdna snov stopi s segrevanjem in infiltrira v pripravljeno predobliko. Odvisno od omočljivosti med ojačitvijo in matrico se lahko uporabi infiltracija s pomočjo tlaka ali brez tlaka.
Pri tem postopku so diamantni delci in grafitni prah enakomerno zmešani s smolo, ki se uporablja kot vezivo, nato pa hladno ali vroče stisnjeni, da se oblikuje predoblika. Predoblika je nato izpostavljena odstranjevanju veziv in pirolizi, da se vezivo popolnoma karbonizira in poveča poroznost predoblike. Infiltracijo silicija izvedemo s segrevanjem v vakuumu ali inertni atmosferi. Med infiltracijo tekoči silicij reagira s pirolitičnim ogljikom in dodanim grafitnim prahom, da nastane silicijev karbid. Ko je reakcija ogljika končana, se preostale pore v predobliki napolnijo s tekočim silicijem, kar povzroči gost kompozit diamant/silicijev karbid. V primerjavi z drugimi procesi RI ne zahteva kompleksnih postopkov ali drage opreme; postopek je preprost, vendar omogoča oblikovanje skoraj neto oblike kompozita.