Ahogy az elektronikus eszközök integrált áramkörei egyre bonyolultabbá válnak, és a chipek mérete folyamatosan csökken, a működés közbeni túlzott hőfelhalmozódás rontja az eszköz teljesítményét, sőt rövidzárlatokat és egyéb meghibásodásokat is okozhat. Az elektronikai berendezések stabil, biztonságos és hatékony működésének biztosítása érdekében a nagy hővezető képességű, alacsony hőtágulási együtthatójú, kis sűrűségű és kiváló hajlítószilárdságú csomagolóanyagok fejlesztése a kutatás fókuszába került.
01 Gyémánt/szilícium-karbid: Erőteljes kombináció a hőkezeléshez
A gyémánt a legmagasabb hővezető képességgel rendelkezik az ember által ismert természetben előforduló anyagok közül, alacsony hőtágulási együtthatóval, nagy szilárdsággal és keménységgel, valamint kiváló kémiai stabilitással párosulva, így ideális hőkezelési anyag. A szilícium-karbid alacsony hőtágulási együtthatóval és kiváló hővezető képességgel is rendelkezik. A gyémánt szilícium-karbidba erősítő fázisként történő beépítésével hangolható hőtágulási együtthatójú és magas hővezető képességű gyémánt/szilícium-karbid kompozitok érhetők el. A gyémánt-erősítésű fémmátrixú kompozitokhoz képest a gyémánt és a szilícium-karbid szerkezete hasonló, nedvesíthetőségük és hőtágulási illeszkedésük pedig sokkal jobb, mint a fémek és a gyémánt között.
02 Gyártási eljárások gyémánt/szilícium-karbid kompozitokhoz
A gyémánt magas hőmérsékleten hajlamos a grafitizálódásra; a kapott grafit hővezető képessége és hajlítószilárdsága lényegesen kisebb, mint a gyémántnak. A gyémánt/szilícium-karbid kompozitok sikeres előállításához elengedhetetlen a gyémánt grafitosításának hatékony szabályozása. Mivel a szilícium-karbid mátrixot nem lehet közvetlenül beszivárogtatni egy gyémánt előformába, a szilícium-karbid mátrixot általában szilícium-szén reakciókkal állítják elő. A gyémánt/szilícium-karbid kompozitok fő gyártási folyamatai nagyjából a következők.
(1) Nagynyomású magas hőmérsékletű (HPHT) szinterezés
A HPHT-módszerben a gyémánt mikroport és a tiszta szilíciumport alaposan összekeverik, majd magas hőmérsékletnek és nagy nyomásnak vetik alá, hogy szilícium-karbidot képező in situ reakción menjenek keresztül, ami végül gyémánt/szilícium-karbid kompozitokat eredményez. A módszer előnye, hogy nagy nyomású körülmények között a gyémánt nem grafitizálódik jelentős mértékben, és a gyémántrészecskék közötti hézagok hatékonyan csökkenthetők, így nagy gyémánttérfogatú és nagy sűrűségű kompozitok állíthatók elő. A nagynyomású eljárás azonban drága berendezéseket igényel, és jelentős korlátokat szab a gyártott kompozitok alakjának.
(2) Spark Plasma szinterezés (SPS)
Az SPS hasonló a HPHT-hoz, mivel magas hőmérsékleten és nyomáson szintereli és tömöríti az előformát. A különbség abban rejlik, hogy az SPS nagy energiájú elektromos szikrák segítségével pillanatnyi kisülést hoz létre a porszemcsék között, és magas hőmérsékletű plazmát állít elő, amely nagy mennyiségű hőt bocsát ki. Ezért az SPS gyors fűtési sebességgel és rövid szinterezési idővel rendelkezik. Ezenkívül az SPS-ben a szinterezési nyomás alacsonyabb, mint a HPHT-ban.
(3) Meleg izosztatikus préselés (HIP)
A HIP eljárás során a gyémánt- és szilíciumporokat lezárt edénybe helyezik, és minden irányból azonos nyomás alá helyezik, miközben a szinterezés és a tömörítés magasabb hőmérsékleten fejeződik be. A HIP jellemzően több száz megapascal nyomástartományban működik. Előnyei közé tartozik az alacsonyabb szinterezési nyomás, valamint a nagyobb térfogatú és összetett formájú minták előállításának lehetősége. Az eljárás azonban bonyolult, és alacsony a termelési hatékonysága.
(4) Prekurzor beszivárgás és pirolízis (PIP)
A PIP módszer szilícium-karbid prekurzort (polikarboszilánt) használ, amelyet felmelegítenek és pirolizálnak, hogy szilícium-karbidot képezzenek, amely aztán a gyémántrészecskéket összekötő mátrixként szolgál. Ennek az eljárásnak az előnyei az alacsony szinterezési hőmérséklet, a nagyméretű vagy összetett alakú minták, valamint a maradék szilícium hiánya a kompozitban. A prekurzor alacsony konverziós hozama miatt azonban gyakran több ciklusra van szükség a sűrűség javításához.
(5) Vegyi gőzök beszivárgása (CVI)
A CVI viszonylag enyhe folyamat; alacsony beszivárgási hőmérsékleten a gyémántrészecskék stabilak maradnak, és elkerülhető a grafitizálódás. Más technikákkal összehasonlítva a szilícium-karbid fázis kémiai gőzlerakódásból származik az anyag felületén, így a szilícium fázis teljesen eltávolítható a CVI folyamat során. Az ezzel a módszerrel előállított kompozitok viszonylag kis sűrűségűek, és jellemzően vékony lemezminták előállítására használják.
(6) Reaktív beszivárgás (RI)
Az RI egy tömörítési eljárás, amelyben a szilárd anyagot melegítéssel megolvasztják, és az előkészített előformába szivárogtatják. Az erősítés és a mátrix közötti nedvesíthetőségtől függően nyomással segített vagy nyomás nélküli infiltráció alkalmazható.
Ebben az eljárásban a gyémántrészecskéket és a grafitport egyenletesen összekeverik a kötőanyagként használt gyantával, majd hidegen vagy melegen sajtolják, így előformát készítenek. Az előformát ezután kötőanyag-eltávolításnak és pirolízisnek vetjük alá, hogy a kötőanyagot teljesen elszenesítsük, és növeljük az előforma porozitását. Végül a szilícium infiltrációját vákuumban vagy inert atmoszférában történő melegítéssel hajtják végre. A beszivárgás során a folyékony szilícium reakcióba lép a pirolitikus szénnel és a hozzáadott grafitporral, szilícium-karbidot képezve. A szénreakció befejeződése után az előforma fennmaradó pórusait folyékony szilíciummal töltik meg, ami egy sűrű gyémánt/szilícium-karbid kompozitot eredményez. Más folyamatokhoz képest az RI nem igényel bonyolult eljárásokat vagy drága berendezéseket; a folyamat egyszerű, mégis lehetővé teszi a kompozit közel háló alakú alakítását.