A mesura que els circuits integrats en dispositius electrònics es tornen cada cop més complexos i les mides dels xips continuen reduint-se, l'acumulació excessiva de calor durant el funcionament degrada el rendiment del dispositiu i fins i tot pot provocar curtcircuits i altres errors. Per garantir un funcionament estable, segur i eficient dels equips electrònics, el desenvolupament de materials d'embalatge amb alta conductivitat tèrmica, baix coeficient d'expansió tèrmica, baixa densitat i excel·lent resistència a la flexió s'ha convertit en un focus de recerca.
01 Diamant/Carbur de Silici: una potent combinació per a la gestió tèrmica
El diamant té la conductivitat tèrmica més alta de qualsevol material natural conegut per l'home, combinat amb un baix coeficient d'expansió tèrmica, una gran resistència i duresa i una excel·lent estabilitat química, el que el converteix en un material de gestió tèrmica ideal. El carbur de silici també té un baix coeficient d'expansió tèrmica i una conductivitat tèrmica superior. Incorporant el diamant com a fase de reforç al carbur de silici, es poden aconseguir compostos de diamant/carbur de silici amb coeficients d'expansió tèrmica ajustables i alta conductivitat tèrmica. En comparació amb els compostos de matriu metàl·lica reforçada amb diamant-, el diamant i el carbur de silici tenen estructures similars, i la seva humectabilitat i la seva concordança amb l'expansió tèrmica són molt millors que les que hi ha entre els metalls i el diamant.
02 Processos de fabricació de compostos de diamant/carbur de silici
El diamant és propens a la grafitització a altes temperatures; el grafit resultant té una conductivitat tèrmica i una resistència a la flexió significativament més baixes que el diamant. Per fabricar amb èxit compostos de diamant/carbur de silici, és essencial un control efectiu de la grafitització del diamant. Com que la matriu de carbur de silici no es pot infiltrar directament en una preforma de diamant, la matriu de carbur de silici normalment s'obté mitjançant reaccions de silici-carboni. Els principals processos de fabricació de compostos de diamant/carbur de silici són aproximadament els següents.
(1) Sinterització d'alta pressió i temperatura (HPHT).
En el mètode HPHT, la micropols de diamant i la pols de silici pur es barregen a fons i després se sotmeten a alta temperatura i alta pressió per sotmetre's a una reacció in situ formant carbur de silici, donant, finalment, compostos de diamant/carbur de silici. L'avantatge d'aquest mètode és que en condicions d'alta pressió, el diamant no pateix una grafitització significativa i els buits entre les partícules de diamant es poden reduir de manera efectiva, produint compostos amb una gran fracció de volum de diamant i alta densitat. Tanmateix, el procés d'alta pressió requereix equips cars i imposa limitacions significatives a la forma dels compostos fabricats.
(2) Sinterització de plasma amb espurna (SPS)
SPS és similar a HPHT perquè sinteritza i densifica la preforma a alta temperatura i pressió. La diferència rau en que SPS utilitza espurnes elèctriques d'alta energia per generar una descàrrega instantània entre partícules de pols, produint plasma d'alta temperatura que allibera una gran quantitat de calor. Per tant, SPS ofereix velocitats d'escalfament ràpides i temps de sinterització curts. A més, la pressió de sinterització en SPS és inferior a la de HPHT.
(3) Pressió isostàtica en calent (HIP)
En el procés HIP, les pols de diamant i silici es col·loquen en un recipient segellat i se sotmeten a la mateixa pressió des de totes direccions, mentre que la sinterització i la densificació es completen a temperatures elevades. HIP normalment funciona a pressions del rang de diversos centenars de megapascals. Els seus avantatges inclouen una pressió de sinterització més baixa i la capacitat de produir volums més grans i mostres de forma complexa. No obstant això, el procés és complicat i té una baixa eficiència de producció.
(4) Infiltració i piròlisi de precursors (PIP)
El mètode PIP utilitza un precursor de carbur de silici (policarbosilà) que s'escalfa i es pirolitza per formar carbur de silici, que després serveix com a matriu que uneix les partícules de diamant. Els avantatges d'aquest procés són la baixa temperatura de sinterització, la capacitat per a mostres a gran escala o de forma complexa i l'absència de silici residual al compost. Tanmateix, a causa del baix rendiment de conversió del precursor, sovint es requereixen diversos cicles per millorar la densitat.
(5) Infiltració de vapor químic (CVI)
L'IVC és un procés relativament lleu; a les baixes temperatures d'infiltració, les partícules de diamant es mantenen estables i s'evita la grafitització. En comparació amb altres tècniques, la fase de carbur de silici es deriva de la deposició química de vapor a la superfície del material, de manera que la fase de silici es pot eliminar completament durant el procés CVI. Els compostos preparats mitjançant aquest mètode tenen una densitat relativament baixa i s'utilitzen normalment per produir mostres de làmines primes.
(6) Infiltració reactiva (RI)
RI és un procés de densificació en què un sòlid es fon per escalfament i s'infiltra en una preforma preparada. Depenent de la humectabilitat entre el reforç i la matriu, es pot utilitzar una infiltració assistida per pressió o sense pressió.
En aquest procés, les partícules de diamant i la pols de grafit es barregen uniformement, amb resina utilitzada com a aglutinant, i després es premsa en fred o en calent per formar una preforma. A continuació, la preforma es sotmet a desenllaç i piròlisi per carbonitzar completament l'aglutinant i augmentar la porositat de la preforma. Finalment, la infiltració de silici es realitza mitjançant l'escalfament al buit o una atmosfera inert. Durant la infiltració, el silici líquid reacciona amb el carboni pirolític i la pols de grafit afegit per formar carbur de silici. Un cop completada la reacció del carboni, els porus restants de la preforma s'omplen de silici líquid, donant lloc a un compost dens de diamant/carbur de silici. En comparació amb altres processos, RI no requereix procediments complexos ni equipament car; el procés és senzill però permet la formació del compost en forma gairebé neta.