Vzhledem k tomu, že integrované obvody v elektronických zařízeních jsou stále složitější a velikosti čipů se stále zmenšují, nadměrné hromadění tepla během provozu snižuje výkon zařízení a může dokonce způsobit zkraty a další poruchy. Pro zajištění stabilního, bezpečného a efektivního provozu elektronických zařízení se výzkum zaměřil na vývoj obalových materiálů s vysokou tepelnou vodivostí, nízkým koeficientem tepelné roztažnosti, nízkou hustotou a vynikající pevností v ohybu.
01 Diamant/karbid křemíku: Výkonná kombinace pro tepelné řízení
Diamant má nejvyšší tepelnou vodivost ze všech přirozeně se vyskytujících materiálů, které lidé zná, v kombinaci s nízkým koeficientem tepelné roztažnosti, vysokou pevností a tvrdostí a vynikající chemickou stabilitou, což z něj činí ideální materiál pro řízení tepla. Karbid křemíku má také nízký koeficient tepelné roztažnosti a vynikající tepelnou vodivost. Začleněním diamantu jako vyztužující fáze do karbidu křemíku lze dosáhnout kompozitů diamant/karbid křemíku s laditelnými koeficienty tepelné roztažnosti a vysokou tepelnou vodivostí. Ve srovnání s diamantovými-kompozity s kovovou matricí mají diamant a karbid křemíku podobnou strukturu a jejich smáčitelnost a tepelná roztažnost jsou mnohem lepší než u kovů a diamantu.
02 Výrobní procesy pro kompozity diamant/karbid křemíku
Diamant je náchylný ke grafitizaci při vysokých teplotách; výsledný grafit má výrazně nižší tepelnou vodivost a pevnost v ohybu než diamant. Pro úspěšnou výrobu kompozitů diamant/karbid křemíku je nezbytná účinná kontrola diamantové grafitizace. Protože matrici karbidu křemíku nelze přímo infiltrovat do diamantového předlisku, matrice karbidu křemíku se typicky získává reakcemi křemíku a uhlíku. Hlavní výrobní procesy pro kompozity diamant/karbid křemíku jsou zhruba následující.
(1) Vysokotlaké vysokoteplotní slinování (HPHT).
Při metodě HPHT se diamantový mikroprášek a čistý křemíkový prášek důkladně promísí a poté se vystaví vysoké teplotě a vysokému tlaku, aby podstoupily in-situ reakci za vzniku karbidu křemíku, což nakonec poskytlo kompozity diamant/karbid křemíku. Výhodou této metody je, že za podmínek vysokého tlaku diamant neprochází výraznou grafitizací a mezery mezi diamantovými částicemi lze efektivně zmenšit, čímž se získají kompozity s vysokým objemovým podílem diamantu a vysokou hustotou. Vysokotlaký proces však vyžaduje drahé vybavení a klade značná omezení na tvar vyráběných kompozitů.
(2) Spark Plasma Sintering (SPS)
SPS je podobný HPHT v tom, že slinuje a zhušťuje předlisek při vysoké teplotě a tlaku. Rozdíl spočívá v tom, že SPS využívá vysokoenergetické elektrické jiskry k generování okamžitého výboje mezi částicemi prášku, čímž vzniká vysokoteplotní plazma, která uvolňuje velké množství tepla. Proto se SPS vyznačuje vysokou rychlostí ohřevu a krátkými časy slinování. Kromě toho je slinovací tlak v SPS nižší než v HPHT.
(3) Izostatické lisování za tepla (HIP)
V procesu HIP jsou diamantové a křemíkové prášky umístěny do uzavřené nádoby a vystaveny stejnému tlaku ze všech směrů, zatímco slinování a zhušťování jsou dokončeny při zvýšených teplotách. HIP typicky pracuje při tlacích v rozsahu několika stovek megapascalů. Mezi jeho výhody patří nižší slinovací tlak a schopnost vyrábět větší objemy a tvarově složité vzorky. Tento proces je však komplikovaný a má nízkou efektivitu výroby.
(4) Prekurzorová infiltrace a pyrolýza (PIP)
Metoda PIP využívá prekurzor karbidu křemíku (polykarbosilan), který se zahřívá a pyrolyzuje za vzniku karbidu křemíku, který pak slouží jako matrice spojující diamantové částice dohromady. Výhodou tohoto procesu je nízká slinovací teplota, schopnost pro velké nebo složitě tvarované vzorky a žádný zbytkový křemík v kompozitu. Avšak kvůli nízkému výtěžku konverze prekurzoru je často zapotřebí více cyklů pro zlepšení hustoty.
(5) Infiltrace chemických par (CVI)
CVI je relativně mírný proces; při nízkých teplotách infiltrace zůstávají diamantové částice stabilní a je zamezeno grafitizaci. Ve srovnání s jinými technikami je fáze karbidu křemíku odvozena z chemické depozice par na povrchu materiálu, takže křemíkovou fázi lze během procesu CVI zcela eliminovat. Kompozity připravené touto metodou mají relativně nízkou hustotu a obvykle se používají pro výrobu vzorků tenkých plechů.
(6) Reaktivní infiltrace (RI)
RI je zhušťovací proces, při kterém se pevná látka roztaví zahříváním a infiltruje do připraveného předlisku. V závislosti na smáčivosti mezi výztuží a matricí lze použít tlakovou nebo beztlakovou infiltraci.
Při tomto procesu se diamantové částice a grafitový prášek rovnoměrně smíchají s pryskyřicí použitou jako pojivo a poté se lisují za studena nebo za tepla do předlisku. Předlisek se pak podrobí odstranění pojiva a pyrolýze, aby se pojivo úplně zuhelnatělo a zvýšila se poréznost předlisku. Nakonec se provádí infiltrace křemíku zahříváním ve vakuu nebo v inertní atmosféře. Během infiltrace kapalný křemík reaguje s pyrolytickým uhlíkem a přidaným grafitovým práškem za vzniku karbidu křemíku. Po dokončení reakce uhlíku jsou zbývající póry v předlisku vyplněny tekutým křemíkem, což vede k hustému kompozitu diamant/karbid křemíku. Ve srovnání s jinými procesy RI nevyžaduje složité postupy ani drahé vybavení; proces je jednoduchý, ale umožňuje tvarování kompozitu téměř do tvaru sítě.