Eftersom integrerade kretsar i elektroniska enheter blir allt mer komplexa och chipstorlekarna fortsätter att krympa, försämrar överdriven värmeackumulering under drift enhetens prestanda och kan till och med orsaka kortslutningar och andra fel. För att säkerställa stabil, säker och effektiv drift av elektronisk utrustning har utvecklingen av förpackningsmaterial med hög värmeledningsförmåga, låg värmeutvidgningskoefficient, låg densitet och utmärkt böjhållfasthet blivit ett forskningsfokus.
01 Diamant/kiselkarbid: En kraftfull kombination för värmehantering
Diamant har den högsta värmeledningsförmågan av alla naturligt förekommande material som människan känner till, i kombination med en låg värmeutvidgningskoefficient, hög hållfasthet och hårdhet och utmärkt kemisk stabilitet, vilket gör det till ett idealiskt värmehanteringsmaterial. Kiselkarbid har också en låg värmeutvidgningskoefficient och överlägsen värmeledningsförmåga. Genom att införliva diamant som en förstärkningsfas i kiselkarbid kan diamant/kiselkarbidkompositer med avstämbara värmeutvidgningskoefficienter och hög värmeledningsförmåga uppnås. Jämfört med diamant-förstärkta metallmatriskompositer har diamant och kiselkarbid liknande strukturer, och deras vätbarhet och termiska expansionsmatchning är mycket bättre än mellan metaller och diamant.
02 Tillverkningsprocesser för diamant-/kiselkarbidkompositer
Diamant är benägen att grafitiseras vid höga temperaturer; den resulterande grafiten har betydligt lägre värmeledningsförmåga och böjhållfasthet än diamant. För att framgångsrikt tillverka diamant/kiselkarbidkompositer är effektiv kontroll av diamantgrafitisering väsentlig. Eftersom kiselkarbidmatris inte kan infiltreras direkt i en diamantförform, erhålls kiselkarbidmatrisen vanligtvis genom kisel-kol-reaktioner. De huvudsakliga tillverkningsprocesserna för diamant/kiselkarbidkompositer är ungefär som följer.
(1) Högtryckssintring med hög temperatur (HPHT).
I HPHT-metoden blandas diamantmikropulver och rent kiselpulver noggrant och utsätts sedan för hög temperatur och högt tryck för att genomgå en in-situ-reaktion som bildar kiselkarbid, vilket slutligen ger diamant/kiselkarbidkompositer. Fördelen med denna metod är att diamant under högtrycksförhållanden inte genomgår någon betydande grafitisering, och gapen mellan diamantpartiklar kan effektivt minskas, vilket ger kompositer med hög diamantvolymfraktion och hög densitet. Högtrycksprocessen kräver dock dyr utrustning och medför betydande begränsningar för formen på de tillverkade kompositerna.
(2) Spark Plasma Sintering (SPS)
SPS liknar HPHT genom att det sintrar och förtätar förformen under hög temperatur och högt tryck. Skillnaden ligger i att SPS använder elektriska gnistor med hög energi för att generera omedelbar urladdning mellan pulverpartiklar, vilket producerar högtemperaturplasma som avger en stor mängd värme. Därför har SPS snabba uppvärmningshastigheter och korta sintringstider. Dessutom är sintringstrycket i SPS lägre än det i HPHT.
(3) Varmisostatisk pressning (HIP)
I HIP-processen placeras diamant- och kiselpulver i en förseglad behållare och utsätts för lika tryck från alla håll, medan sintring och förtätning slutförs vid förhöjda temperaturer. HIP arbetar vanligtvis vid tryck i intervallet flera hundra megapascal. Dess fördelar inkluderar lägre sintringstryck och förmågan att producera större volymer och komplexformade prover. Processen är dock komplicerad och har låg produktionseffektivitet.
(4) Prekursorinfiltration och pyrolys (PIP)
PIP-metoden använder en kiselkarbidprekursor (polykarbosilan) som värms och pyrolyseras för att bilda kiselkarbid, som sedan fungerar som matris som binder ihop diamantpartiklarna. Fördelarna med denna process är låg sintringstemperatur, kapacitet för storskaliga eller komplexa prover och ingen kvarvarande kisel i kompositen. På grund av prekursorns låga omvandlingsutbyte krävs emellertid ofta flera cykler för att förbättra densiteten.
(5) Kemisk ånginfiltration (CVI)
CVI är en relativt mild process; vid de låga infiltrationstemperaturerna förblir diamantpartiklar stabila och grafitisering undviks. Jämfört med andra tekniker härrör kiselkarbidfasen från kemisk ångavsättning på materialytan, så kiselfasen kan helt elimineras under CVI-processen. Kompositer framställda med denna metod har relativt låg densitet och används vanligtvis för att producera tunnplåtsprover.
(6) Reaktiv infiltration (RI)
RI är en förtätningsprocess där ett fast ämne smälts genom upphettning och infiltreras i en förberedd förform. Beroende på vätbarheten mellan armeringen och matrisen kan antingen tryckassisterad eller trycklös infiltration användas.
I denna process blandas diamantpartiklar och grafitpulver likformigt, med harts som används som bindemedel, och kallpressas eller varmpressas sedan för att bilda en förform. Förformen utsätts sedan för avbindning och pyrolys för att fullständigt förkolna bindemedlet och öka förformens porositet. Slutligen utförs kiselinfiltration genom upphettning i vakuum eller en inert atmosfär. Under infiltration reagerar flytande kisel med det pyrolytiska kolet och det tillsatta grafitpulvret för att bilda kiselkarbid. Efter att kolreaktionen är fullbordad fylls de återstående porerna i förformen med flytande kisel, vilket resulterar i en tät diamant/kiselkarbidkomposit. Jämfört med andra processer kräver RI inga komplicerade procedurer eller dyr utrustning; processen är enkel men möjliggör nästan nätformig formning av kompositen.