همانطور که مدارهای مجتمع در دستگاه های الکترونیکی پیچیده تر می شوند و اندازه تراشه ها به کوچک شدن ادامه می دهند، انباشت گرمای بیش از حد در حین کار عملکرد دستگاه را کاهش می دهد و حتی می تواند باعث اتصال کوتاه و سایر خرابی ها شود. برای اطمینان از عملکرد پایدار، ایمن و کارآمد تجهیزات الکترونیکی، توسعه مواد بسته بندی با هدایت حرارتی بالا، ضریب انبساط حرارتی کم، چگالی کم و استحکام خمشی عالی به یک مرکز تحقیقاتی تبدیل شده است.
01 الماس/سیلیکون کاربید: ترکیبی قدرتمند برای مدیریت حرارتی
الماس دارای بالاترین رسانایی حرارتی در بین مواد طبیعی شناخته شده برای انسان است، همراه با ضریب انبساط حرارتی پایین، استحکام و سختی بالا و پایداری شیمیایی عالی که آن را به یک ماده مدیریت حرارتی ایده آل تبدیل می کند. کاربید سیلیکون همچنین دارای ضریب انبساط حرارتی پایین و هدایت حرارتی برتر است. با ترکیب الماس به عنوان یک فاز تقویت کننده در کاربید سیلیکون، می توان به کامپوزیت های الماس/کاربید سیلیکون با ضرایب انبساط حرارتی قابل تنظیم و هدایت حرارتی بالا دست یافت. الماس و کاربید سیلیکون در مقایسه با کامپوزیتهای ماتریکس فلزی تقویتشده با الماس{3}}ساختارهای مشابهی دارند و ترشوندگی و تطابق انبساط حرارتی آنها بسیار بهتر از فلزات و الماس است.
02 فرآیندهای ساخت کامپوزیت های الماس/سیلیکون کاربید
الماس در دماهای بالا مستعد گرافیت شدن است. گرافیت حاصل از رسانایی حرارتی و استحکام خمشی بسیار کمتری نسبت به الماس برخوردار است. برای ساخت موفقیت آمیز کامپوزیت های الماس/کاربید سیلیکون، کنترل موثر گرافیت شدن الماس ضروری است. از آنجایی که ماتریس کاربید سیلیکون را نمی توان مستقیماً به یک پریفرم الماس نفوذ کرد، ماتریس کاربید سیلیکون معمولاً از طریق واکنش های سیلیکون-کربن به دست می آید. فرآیندهای اصلی ساخت کامپوزیت های الماس/کاربید سیلیکون تقریباً به شرح زیر است.
(1) تف جوشی با فشار بالا با دمای بالا (HPHT).
در روش HPHT، ریزپودر الماس و پودر سیلیکون خالص کاملاً مخلوط میشوند و سپس تحت دمای بالا و فشار بالا قرار میگیرند تا تحت یک واکنش درجا کاربید سیلیکون تشکیل شود و در نهایت کامپوزیتهای الماس/کاربید سیلیکون تولید شود. مزیت این روش این است که در شرایط فشار بالا، الماس تحت گرافیتیزاسیون قابل توجهی قرار نمی گیرد و شکاف بین ذرات الماس را می توان به طور موثر کاهش داد و کامپوزیت هایی با کسر حجمی الماس بالا و چگالی بالا تولید کرد. با این حال، فرآیند پرفشار نیازمند تجهیزات گران قیمت است و محدودیتهای قابل توجهی را بر شکل کامپوزیتهای ساخته شده تحمیل میکند.
(2) تف جوشی پلاسمای جرقه ای (SPS)
SPS شبیه HPHT است که در زیر دما و فشار بالا، پریفرم را متخلخل و متراکم می کند. تفاوت در این است که SPS از جرقه های الکتریکی پرانرژی برای ایجاد تخلیه فوری بین ذرات پودر استفاده می کند و پلاسمای با دمای بالا تولید می کند که مقدار زیادی گرما آزاد می کند. بنابراین، SPS دارای نرخ گرمایش سریع و زمان پخت کوتاه است. علاوه بر این، فشار پخت در SPS کمتر از فشار در HPHT است.
(3) پرس ایزواستاتیک داغ (HIP)
در فرآیند HIP، پودرهای الماس و سیلیکون در یک ظرف مهر و موم شده قرار می گیرند و از همه جهات تحت فشار یکسان قرار می گیرند، در حالی که تف جوشی و متراکم شدن در دماهای بالا تکمیل می شود. HIP معمولاً در فشارهایی در محدوده چند صد مگا پاسکال عمل می کند. از مزایای آن می توان به فشار تف جوشی کمتر و توانایی تولید حجم بیشتر و نمونه های پیچیده تر اشاره کرد. با این حال، این فرآیند پیچیده است و راندمان تولید پایینی دارد.
(4) نفوذ پیش ساز و پیرولیز (PIP)
روش PIP از یک پیش ساز کاربید سیلیکون (پلی کربوسیلان) استفاده می کند که برای تشکیل کاربید سیلیکون حرارت داده شده و پیرولیز می شود، که سپس به عنوان ماتریس اتصال ذرات الماس به یکدیگر عمل می کند. از مزایای این فرآیند دمای تف جوشی پایین، قابلیت برای نمونه های در مقیاس بزرگ یا پیچیده و عدم وجود سیلیکون باقیمانده در کامپوزیت است. با این حال، به دلیل بازده تبدیل پایین پیش ساز، اغلب چرخه های متعدد برای بهبود چگالی مورد نیاز است.
(5) نفوذ بخار شیمیایی (CVI)
CVI یک فرآیند نسبتا ملایم است. در دماهای نفوذ پایین، ذرات الماس پایدار می مانند و از گرافیت شدن اجتناب می شود. در مقایسه با سایر تکنیک ها، فاز کاربید سیلیکون از رسوب بخار شیمیایی بر روی سطح مواد به دست می آید، بنابراین فاز سیلیکون را می توان به طور کامل در طول فرآیند CVI حذف کرد. کامپوزیت های تهیه شده با این روش چگالی نسبتاً کمی دارند و معمولاً برای تولید نمونه های ورقه نازک استفاده می شوند.
(6) نفوذ واکنشی (RI)
RI یک فرآیند تراکم است که در آن یک جامد با حرارت ذوب شده و به یک پیشفرم آماده نفوذ میکند. بسته به ترشوندگی بین تقویتکننده و ماتریس، میتوان از نفوذ فشاری یا بدون فشار استفاده کرد.
در این فرآیند، ذرات الماس و پودر گرافیت به طور یکنواخت با رزین به عنوان چسب استفاده میشود و سپس با فشار سرد یا گرم فشرده میشوند تا یک پیشفرم تشکیل شود. سپس پریفرم تحت debinding و پیرولیز قرار می گیرد تا بایندر کاملاً کربن شود و تخلخل پریفرم افزایش یابد. در نهایت، نفوذ سیلیکون با حرارت دادن در خلاء یا اتمسفر بی اثر انجام می شود. در طول نفوذ، سیلیکون مایع با کربن پیرولیتیک و پودر گرافیت اضافه شده واکنش داده و کاربید سیلیکون را تشکیل می دهد. پس از تکمیل واکنش کربن، منافذ باقیمانده در پریفرم با سیلیکون مایع پر میشوند و در نتیجه یک کامپوزیت متراکم الماس/کاربید سیلیکون ایجاد میشود. در مقایسه با سایر فرآیندها، RI به روش های پیچیده یا تجهیزات گران قیمت نیاز ندارد. این فرآیند ساده است و در عین حال تشکیل کامپوزیت را به شکل نزدیک به شبکه امکان پذیر می کند.