Naarmate geïntegreerde schakelingen in elektronische apparaten steeds complexer worden en de chipgroottes steeds kleiner worden, verslechtert overmatige warmteaccumulatie tijdens bedrijf de prestaties van het apparaat en kan zelfs kortsluiting en andere storingen veroorzaken. Om een stabiele, veilige en efficiënte werking van elektronische apparatuur te garanderen, is de ontwikkeling van verpakkingsmaterialen met een hoge thermische geleidbaarheid, een lage thermische uitzettingscoëfficiënt, een lage dichtheid en een uitstekende buigsterkte een onderzoeksfocus geworden.
01 Diamant/siliciumcarbide: een krachtige combinatie voor thermisch beheer
Diamant heeft de hoogste thermische geleidbaarheid van alle natuurlijk voorkomende materialen die de mens kent, gecombineerd met een lage thermische uitzettingscoëfficiënt, hoge sterkte en hardheid en uitstekende chemische stabiliteit, waardoor het een ideaal materiaal voor thermisch beheer is. Siliciumcarbide bezit ook een lage thermische uitzettingscoëfficiënt en een superieure thermische geleidbaarheid. Door diamant als versterkende fase in siliciumcarbide op te nemen, kunnen diamant/siliciumcarbide-composieten met instelbare thermische uitzettingscoëfficiënten en een hoge thermische geleidbaarheid worden bereikt. Vergeleken met met diamant-versterkte metaalmatrixcomposieten hebben diamant en siliciumcarbide vergelijkbare structuren, en zijn hun bevochtigbaarheid en thermische uitzetting veel beter dan die tussen metalen en diamant.
02 Fabricageprocessen voor diamant-/siliciumcarbidecomposieten
Diamant is gevoelig voor grafitisering bij hoge temperaturen; het resulterende grafiet heeft een aanzienlijk lagere thermische geleidbaarheid en buigsterkte dan diamant. Om met succes diamant/siliciumcarbidecomposieten te vervaardigen, is een effectieve controle van de grafitisering van diamant essentieel. Omdat de siliciumcarbidematrix niet direct in een diamantvoorvorm kan worden geïnfiltreerd, wordt de siliciumcarbidematrix doorgaans verkregen via silicium-koolstofreacties. De belangrijkste fabricageprocessen voor diamant/siliciumcarbidecomposieten zijn grofweg als volgt.
(1) Sinteren onder hoge druk en hoge temperatuur (HPHT).
Bij de HPHT-methode worden diamantmicropoeder en puur siliciumpoeder grondig gemengd en vervolgens onderworpen aan hoge temperatuur en hoge druk om een in-situ reactie te ondergaan waarbij siliciumcarbide wordt gevormd, wat uiteindelijk diamant/siliciumcarbidecomposieten oplevert. Het voordeel van deze methode is dat diamant onder hoge druk geen significante grafitisering ondergaat en dat de openingen tussen diamantdeeltjes effectief kunnen worden verkleind, waardoor composieten met een hoge diamantvolumefractie en hoge dichtheid worden geproduceerd. Het hogedrukproces vereist echter dure apparatuur en legt aanzienlijke beperkingen op aan de vorm van de vervaardigde composieten.
(2) Vonkplasmasinteren (SPS)
SPS is vergelijkbaar met HPHT omdat het de voorvorm onder hoge temperatuur en druk sintert en verdicht. Het verschil ligt in het feit dat SPS elektrische vonken met hoge energie gebruikt om een onmiddellijke ontlading tussen poederdeeltjes te genereren, waardoor plasma op hoge temperatuur wordt geproduceerd dat een grote hoeveelheid warmte vrijgeeft. Daarom beschikt SPS over snelle verwarmingssnelheden en korte sintertijden. Bovendien is de sinterdruk in SPS lager dan die in HPHT.
(3) Heet isostatisch persen (HIP)
Bij het HIP-proces worden diamant- en siliciumpoeders in een afgesloten container geplaatst en vanuit alle richtingen aan gelijke druk onderworpen, terwijl het sinteren en verdichten bij verhoogde temperaturen worden voltooid. HIP werkt doorgaans bij een druk in het bereik van enkele honderden megapascal. De voordelen zijn onder meer een lagere sinterdruk en de mogelijkheid om grotere volumes en complex gevormde monsters te produceren. Het proces is echter ingewikkeld en heeft een lage productie-efficiëntie.
(4) Precursor-infiltratie en pyrolyse (PIP)
De PIP-methode maakt gebruik van een siliciumcarbidevoorloper (polycarbosilaan) die wordt verwarmd en gepyrolyseerd om siliciumcarbide te vormen, dat vervolgens dient als de matrix die de diamantdeeltjes aan elkaar bindt. De voordelen van dit proces zijn de lage sintertemperatuur, de mogelijkheid voor grootschalige of complex gevormde monsters en het ontbreken van achtergebleven silicium in het composiet. Vanwege de lage conversieopbrengst van de voorloper zijn echter vaak meerdere cycli nodig om de dichtheid te verbeteren.
(5) Chemische dampinfiltratie (CVI)
CVI is een relatief mild proces; bij de lage infiltratietemperaturen blijven diamantdeeltjes stabiel en wordt grafitisering vermeden. Vergeleken met andere technieken wordt de siliciumcarbidefase afgeleid van chemische dampafzetting op het materiaaloppervlak, waardoor de siliciumfase tijdens het CVI-proces volledig kan worden geëlimineerd. Composieten die met deze methode zijn vervaardigd, hebben een relatief lage dichtheid en worden doorgaans gebruikt voor het produceren van dunne plaatmonsters.
(6) Reactieve infiltratie (RI)
RI is een verdichtingsproces waarbij een vaste stof door verhitting wordt gesmolten en in een voorbereide voorvorm wordt geïnfiltreerd. Afhankelijk van de bevochtigbaarheid tussen de wapening en de matrix kan drukondersteunde of drukloze infiltratie worden toegepast.
Bij dit proces worden diamantdeeltjes en grafietpoeder gelijkmatig gemengd, waarbij hars als bindmiddel wordt gebruikt, en vervolgens koud of warm geperst om een voorvorm te vormen. De voorvorm wordt vervolgens onderworpen aan ontbinding en pyrolyse om het bindmiddel volledig te carboniseren en de porositeit van de voorvorm te vergroten. Tenslotte wordt siliciuminfiltratie uitgevoerd door verwarming in vacuüm of een inerte atmosfeer. Tijdens infiltratie reageert vloeibaar silicium met de pyrolytische koolstof en het toegevoegde grafietpoeder om siliciumcarbide te vormen. Nadat de koolstofreactie is voltooid, worden de resterende poriën in de voorvorm gevuld met vloeibaar silicium, wat resulteert in een dichte diamant/siliciumcarbidecomposiet. Vergeleken met andere processen vereist RI geen complexe procedures of dure apparatuur; Het proces is eenvoudig, maar maakt toch bijna-netvormige vorming van het composiet mogelijk.