Ettersom integrerte kretser i elektroniske enheter blir stadig mer komplekse og brikkestørrelser fortsetter å krympe, forringer overdreven varmeakkumulering under drift enhetens ytelse og kan til og med forårsake kortslutninger og andre feil. For å sikre stabil, sikker og effektiv drift av elektronisk utstyr, har utviklingen av emballasjematerialer med høy termisk ledningsevne, lav varmeutvidelseskoeffisient, lav tetthet og utmerket bøyestyrke blitt et forskningsfokus.
01 Diamant/Silisiumkarbid: En kraftig kombinasjon for termisk styring
Diamant har den høyeste termiske ledningsevnen av ethvert naturlig forekommende materiale kjent for mennesket, kombinert med en lav termisk ekspansjonskoeffisient, høy styrke og hardhet, og utmerket kjemisk stabilitet, noe som gjør det til et ideelt termisk styringsmateriale. Silisiumkarbid har også en lav termisk ekspansjonskoeffisient og overlegen varmeledningsevne. Ved å inkorporere diamant som en forsterkende fase i silisiumkarbid, kan diamant/silisiumkarbid-kompositter med avstembare termiske ekspansjonskoeffisienter og høy varmeledningsevne oppnås. Sammenlignet med diamant-forsterkede metallmatrisekompositter, har diamant og silisiumkarbid lignende strukturer, og deres fuktbarhet og termisk ekspansjonsmatching er mye bedre enn mellom metaller og diamant.
02 Fremstillingsprosesser for diamant-/silisiumkarbidkompositter
Diamant er utsatt for grafitisering ved høye temperaturer; den resulterende grafitten har betydelig lavere varmeledningsevne og bøyestyrke enn diamant. For å lykkes med å fremstille diamant/silisiumkarbidkompositter, er effektiv kontroll av diamantgrafitisering avgjørende. Siden silisiumkarbidmatrise ikke kan infiltreres direkte inn i en diamantpreform, oppnås silisiumkarbidmatrisen typisk gjennom silisium-karbon-reaksjoner. Hovedfremstillingsprosessene for diamant/silisiumkarbidkompositter er omtrent som følger.
(1) Høytrykkssintring med høy temperatur (HPHT).
I HPHT-metoden blir diamantmikropulver og rent silisiumpulver grundig blandet og deretter utsatt for høy temperatur og høyt trykk for å gjennomgå en in-situ-reaksjon som danner silisiumkarbid, som til slutt gir diamant/silisiumkarbidkompositter. Fordelen med denne metoden er at under høytrykksforhold gjennomgår ikke diamant betydelig grafitisering, og gapene mellom diamantpartikler kan effektivt reduseres, og produserer kompositter med høy diamantvolumfraksjon og høy tetthet. Høytrykksprosessen krever imidlertid dyrt utstyr og setter betydelige begrensninger på formen til de fremstilte komposittene.
(2) Spark Plasma Sintering (SPS)
SPS ligner på HPHT ved at den sinter og fortette preformen under høy temperatur og trykk. Forskjellen ligger i at SPS bruker elektriske gnister med høy energi for å generere øyeblikkelig utladning mellom pulverpartikler, og produserer høytemperaturplasma som frigjør en stor mengde varme. Derfor har SPS raske oppvarmingshastigheter og korte sintringstider. I tillegg er sintringstrykket i SPS lavere enn det i HPHT.
(3) Varmisostatisk pressing (HIP)
I HIP-prosessen legges diamant- og silisiumpulver i en forseglet beholder og utsettes for likt trykk fra alle retninger, mens sintring og fortetting fullføres ved forhøyede temperaturer. HIP opererer typisk ved trykk i området flere hundre megapascal. Fordelene inkluderer lavere sintringstrykk og muligheten til å produsere større volumer og kompleksformede prøver. Imidlertid er prosessen komplisert og har lav produksjonseffektivitet.
(4) Forløperinfiltrasjon og pyrolyse (PIP)
PIP-metoden bruker en silisiumkarbidforløper (polykarbosilan) som varmes opp og pyrolyseres for å danne silisiumkarbid, som deretter fungerer som matrisen som binder diamantpartiklene sammen. Fordelene med denne prosessen er lav sintringstemperatur, evne til storskala eller kompleksformede prøver, og ingen rester av silisium i kompositten. På grunn av det lave konverteringsutbyttet til forløperen er det imidlertid ofte nødvendig med flere sykluser for å forbedre tettheten.
(5) Kjemisk dampinfiltrasjon (CVI)
CVI er en relativt mild prosess; ved de lave infiltrasjonstemperaturene forblir diamantpartikler stabile og grafitisering unngås. Sammenlignet med andre teknikker er silisiumkarbidfasen avledet fra kjemisk dampavsetning på materialoverflaten, slik at silisiumfasen kan elimineres fullstendig under CVI-prosessen. Kompositter fremstilt ved denne metoden har relativt lav tetthet og brukes vanligvis til å produsere tynne arkprøver.
(6) Reaktiv infiltrasjon (RI)
RI er en fortettingsprosess der et fast stoff smeltes ved oppvarming og infiltreres i en forberedt preform. Avhengig av fuktbarheten mellom armeringen og matrisen, kan enten trykkassistert eller trykkløs infiltrasjon brukes.
I denne prosessen blir diamantpartikler og grafittpulver jevnt blandet, med harpiks brukt som bindemiddel, og deretter kaldpresset eller varmpresset for å danne en preform. Preformen blir deretter utsatt for avbinding og pyrolyse for fullstendig å karbonisere bindemidlet og øke preformens porøsitet. Til slutt utføres silisiuminfiltrasjon ved oppvarming i vakuum eller en inert atmosfære. Under infiltrasjon reagerer flytende silisium med det pyrolytiske karbonet og det tilsatte grafittpulveret for å danne silisiumkarbid. Etter at karbonreaksjonen er fullført, fylles de gjenværende porene i preformen med flytende silisium, noe som resulterer i en tett diamant/silisiumkarbidkompositt. Sammenlignet med andre prosesser krever ikke RI komplekse prosedyrer eller dyrt utstyr; prosessen er enkel, men muliggjør tilnærmet nettformet forming av kompositten.