Καθώς τα ολοκληρωμένα κυκλώματα σε ηλεκτρονικές συσκευές γίνονται όλο και πιο περίπλοκα και τα μεγέθη των τσιπ συνεχίζουν να συρρικνώνονται, η υπερβολική συσσώρευση θερμότητας κατά τη λειτουργία υποβαθμίζει την απόδοση της συσκευής και μπορεί να προκαλέσει ακόμη και βραχυκυκλώματα και άλλες βλάβες. Για να διασφαλιστεί η σταθερή, ασφαλής και αποτελεσματική λειτουργία του ηλεκτρονικού εξοπλισμού, η ανάπτυξη υλικών συσκευασίας με υψηλή θερμική αγωγιμότητα, χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής, χαμηλή πυκνότητα και εξαιρετική αντοχή σε κάμψη έχει γίνει αντικείμενο έρευνας.
01 Διαμάντι/καρβίδιο πυριτίου: Ένας ισχυρός συνδυασμός για θερμική διαχείριση
Το διαμάντι έχει την υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα από οποιοδήποτε φυσικό υλικό που είναι γνωστό στον άνθρωπο, σε συνδυασμό με χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής, υψηλή αντοχή και σκληρότητα και εξαιρετική χημική σταθερότητα, καθιστώντας το ιδανικό υλικό διαχείρισης θερμότητας. Το καρβίδιο του πυριτίου διαθέτει επίσης χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής και ανώτερη θερμική αγωγιμότητα. Με την ενσωμάτωση του διαμαντιού ως ενισχυτικής φάσης στο καρβίδιο του πυριτίου, μπορούν να επιτευχθούν σύνθετα υλικά διαμαντιού/καρβιδίου του πυριτίου με συντονιζόμενους συντελεστές θερμικής διαστολής και υψηλή θερμική αγωγιμότητα. Σε σύγκριση με-σύνθετα υλικά μεταλλικής μήτρας ενισχυμένου με διαμάντια, το διαμάντι και το καρβίδιο του πυριτίου έχουν παρόμοιες δομές και η διαβρεξιμότητα και η θερμική διαστολή τους είναι πολύ καλύτερη από αυτές μεταξύ μετάλλων και διαμαντιών.
02 Διαδικασίες κατασκευής σύνθετων υλικών διαμαντιού/καρβιδίου πυριτίου
Το διαμάντι είναι επιρρεπές σε γραφιτοποίηση σε υψηλές θερμοκρασίες. ο γραφίτης που προκύπτει έχει σημαντικά χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα και αντοχή σε κάμψη από το διαμάντι. Για την επιτυχή κατασκευή σύνθετων υλικών διαμαντιού/καρβιδίου του πυριτίου, είναι απαραίτητος ο αποτελεσματικός έλεγχος της γραφιτοποίησης διαμαντιών. Δεδομένου ότι η μήτρα καρβιδίου του πυριτίου δεν μπορεί να διεισδύσει απευθείας σε ένα προφόρμα διαμαντιού, η μήτρα καρβιδίου του πυριτίου λαμβάνεται συνήθως μέσω αντιδράσεων πυριτίου-άνθρακα. Οι κύριες διαδικασίες κατασκευής για σύνθετα υλικά διαμαντιού/καρβιδίου του πυριτίου είναι περίπου οι εξής.
(1) Συσσωμάτωση υψηλής πίεσης σε υψηλή θερμοκρασία (HPHT).
Στη μέθοδο HPHT, η μικροσκόνη διαμαντιού και η σκόνη καθαρού πυριτίου αναμειγνύονται επιμελώς και στη συνέχεια υποβάλλονται σε υψηλή θερμοκρασία και υψηλή πίεση για να υποβληθούν σε μια in-situ αντίδραση σχηματίζοντας καρβίδιο του πυριτίου, δίνοντας τελικά σύνθετα υλικά διαμαντιού/καρβιδίου του πυριτίου. Το πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι υπό συνθήκες υψηλής πίεσης, το διαμάντι δεν υφίσταται σημαντική γραφιτοποίηση και τα κενά μεταξύ των σωματιδίων του διαμαντιού μπορούν να μειωθούν αποτελεσματικά, παράγοντας σύνθετα υλικά με υψηλό κλάσμα όγκου διαμαντιού και υψηλή πυκνότητα. Ωστόσο, η διαδικασία υψηλής πίεσης απαιτεί ακριβό εξοπλισμό και επιβάλλει σημαντικούς περιορισμούς στο σχήμα των κατασκευασμένων σύνθετων υλικών.
(2) Πυροσυσσωμάτωση με Spark Plasma (SPS)
Το SPS είναι παρόμοιο με το HPHT στο ότι πυροσυσσωματώνει και συμπυκνώνει το προσχηματισμένο υπό υψηλή θερμοκρασία και πίεση. Η διαφορά έγκειται στο ότι το SPS χρησιμοποιεί ηλεκτρικούς σπινθήρες υψηλής ενέργειας για να δημιουργήσει στιγμιαία εκφόρτιση μεταξύ σωματιδίων σκόνης, παράγοντας πλάσμα υψηλής θερμοκρασίας που απελευθερώνει μεγάλη ποσότητα θερμότητας. Επομένως, το SPS διαθέτει γρήγορους ρυθμούς θέρμανσης και σύντομους χρόνους πυροσυσσωμάτωσης. Επιπλέον, η πίεση πυροσυσσωμάτωσης στο SPS είναι χαμηλότερη από αυτή στο HPHT.
(3) Ζεστή ισοστατική πίεση (HIP)
Στη διαδικασία HIP, οι σκόνες διαμαντιού και πυριτίου τοποθετούνται σε ένα σφραγισμένο δοχείο και υπόκεινται σε ίση πίεση από όλες τις κατευθύνσεις, ενώ η πυροσυσσωμάτωση και η πύκνωση ολοκληρώνονται σε υψηλές θερμοκρασίες. Το HIP λειτουργεί συνήθως σε πιέσεις στην περιοχή αρκετών εκατοντάδων megapascal. Τα πλεονεκτήματά του περιλαμβάνουν τη χαμηλότερη πίεση πυροσυσσωμάτωσης και την ικανότητα παραγωγής μεγαλύτερων όγκων και δειγμάτων σε σχήμα πολύπλοκου. Ωστόσο, η διαδικασία είναι πολύπλοκη και έχει χαμηλή απόδοση παραγωγής.
(4) Πρόδρομη διήθηση και πυρόλυση (PIP)
Η μέθοδος PIP χρησιμοποιεί έναν πρόδρομο καρβιδίου του πυριτίου (πολυκαρβοσιλάνιο) που θερμαίνεται και πυρολύεται για να σχηματίσει καρβίδιο του πυριτίου, το οποίο στη συνέχεια χρησιμεύει ως η μήτρα που συνδέει τα σωματίδια διαμαντιού μεταξύ τους. Τα πλεονεκτήματα αυτής της διαδικασίας είναι η χαμηλή θερμοκρασία πυροσυσσωμάτωσης, η ικανότητα για δείγματα μεγάλης κλίμακας ή πολύπλοκου σχήματος και η απουσία υπολειμματικού πυριτίου στο σύνθετο υλικό. Ωστόσο, λόγω της χαμηλής απόδοσης μετατροπής του προδρόμου, απαιτούνται συχνά πολλαπλοί κύκλοι για τη βελτίωση της πυκνότητας.
(5) Διήθηση χημικών ατμών (CVI)
Το CVI είναι μια σχετικά ήπια διαδικασία. στις χαμηλές θερμοκρασίες διείσδυσης, τα σωματίδια διαμαντιού παραμένουν σταθερά και αποφεύγεται η γραφιτοποίηση. Σε σύγκριση με άλλες τεχνικές, η φάση του καρβιδίου του πυριτίου προέρχεται από την εναπόθεση χημικών ατμών στην επιφάνεια του υλικού, επομένως η φάση του πυριτίου μπορεί να εξαλειφθεί πλήρως κατά τη διαδικασία CVI. Τα σύνθετα υλικά που παρασκευάζονται με αυτή τη μέθοδο έχουν σχετικά χαμηλή πυκνότητα και χρησιμοποιούνται συνήθως για την παραγωγή δειγμάτων λεπτών φύλλων.
(6) Αντιδραστική Διήθηση (RI)
Το RI είναι μια διαδικασία συμπύκνωσης κατά την οποία ένα στερεό τήκεται με θέρμανση και διηθείται σε ένα παρασκευασμένο προφόρμα. Ανάλογα με τη διαβρεξιμότητα μεταξύ του οπλισμού και της μήτρας, μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε υποβοηθούμενη από πίεση είτε διείσδυση χωρίς πίεση.
Σε αυτή τη διαδικασία, τα σωματίδια διαμαντιού και η σκόνη γραφίτη αναμειγνύονται ομοιόμορφα, με ρητίνη που χρησιμοποιείται ως συνδετικό, και στη συνέχεια συμπιέζονται ψυχρής ή θερμής συμπίεσης για να σχηματιστεί ένα προπλάσμα. Το πρόπλασμα στη συνέχεια υποβάλλεται σε αποσύνδεση και πυρόλυση για πλήρη ανθρακοποίηση του συνδετικού και αύξηση του πορώδους του προδιαμορφώματος. Τέλος, η διήθηση πυριτίου πραγματοποιείται με θέρμανση σε κενό ή σε αδρανή ατμόσφαιρα. Κατά τη διήθηση, το υγρό πυρίτιο αντιδρά με τον πυρολυτικό άνθρακα και την προστιθέμενη σκόνη γραφίτη για να σχηματίσει καρβίδιο του πυριτίου. Μετά την ολοκλήρωση της αντίδρασης άνθρακα, οι υπόλοιποι πόροι του προπλάσματος γεμίζονται με υγρό πυρίτιο, με αποτέλεσμα ένα πυκνό σύνθετο διαμάντι/καρβίδιο του πυριτίου. Σε σύγκριση με άλλες διαδικασίες, η RI δεν απαιτεί πολύπλοκες διαδικασίες ή ακριβό εξοπλισμό. η διαδικασία είναι απλή αλλά επιτρέπει τη διαμόρφωση σχεδόν σε σχήμα διχτυού του σύνθετου υλικού.