Kun elektronisten laitteiden integroidut piirit muuttuvat yhä monimutkaisemmiksi ja sirujen koko pienenee edelleen, liiallinen lämmön kerääntyminen käytön aikana heikentää laitteen suorituskykyä ja voi jopa aiheuttaa oikosulkuja ja muita vikoja. Elektroniikkalaitteiden vakaan, turvallisen ja tehokkaan toiminnan varmistamiseksi pakkausmateriaalien kehittämisestä on tullut korkea lämmönjohtavuus, alhainen lämpölaajenemiskerroin, pieni tiheys ja erinomainen taivutuslujuus.
01 Timantti/piikarbidi: tehokas yhdistelmä lämmönhallintaan
Timantilla on paras lämmönjohtavuus kaikista ihmisen tuntemista luonnossa esiintyvistä materiaaleista, yhdistettynä alhaiseen lämpölaajenemiskertoimeen, korkeaan lujuuteen ja kovuuteen sekä erinomaiseen kemialliseen stabiilisuuteen, mikä tekee siitä ihanteellisen lämmönhallintamateriaalin. Piikarbidilla on myös alhainen lämpölaajenemiskerroin ja erinomainen lämmönjohtavuus. Lisäämällä timanttia lujitefaasina piikarbidiin voidaan saavuttaa timantti/piikarbidikomposiitteja, joilla on säädettävä lämpölaajenemiskerroin ja korkea lämmönjohtavuus. Verrattuna timantti-vahvistettuihin metallimatriisikomposiitteihin timantilla ja piikarbidilla on samanlaiset rakenteet, ja niiden kostuvuus ja lämpölaajenemisen yhteensopivuus ovat paljon parempia kuin metallien ja timanttien väliset.
02 Timantti/piikarbidikomposiittien valmistusprosessit
Timantti on altis grafitoitumiselle korkeissa lämpötiloissa; saadulla grafiitilla on huomattavasti pienempi lämmönjohtavuus ja taivutuslujuus kuin timantilla. Timantti/piikarbidikomposiittien onnistuneeseen valmistukseen tarvitaan tehokas timanttien grafitoinnin hallinta. Koska piikarbidimatriisia ei voida suoraan suodattaa timanttiaihioon, piikarbidimatriisi saadaan tyypillisesti pii-hiilireaktioilla. Timantti/piikarbidikomposiittien tärkeimmät valmistusprosessit ovat suunnilleen seuraavat.
(1) Korkeapaineinen korkealämpötilasintraus (HPHT).
HPHT-menetelmässä timanttimikrojauhe ja puhdas piikarbidi sekoitetaan perusteellisesti ja altistetaan sitten korkealle lämpötilalle ja korkealle paineelle in situ -reaktion suorittamiseksi, jolloin muodostuu piikarbidia, jolloin saadaan lopulta timantti/piikarbidi-komposiitteja. Tämän menetelmän etuna on, että korkeapaineolosuhteissa timantti ei käy läpi merkittävää grafisoitumista, ja timanttihiukkasten välisiä rakoja voidaan pienentää tehokkaasti, jolloin saadaan komposiitteja, joilla on suuri timanttitilavuusosuus ja korkea tiheys. Korkeapaineprosessi vaatii kuitenkin kalliita laitteita ja asettaa merkittäviä rajoituksia valmistettujen komposiittien muodolle.
(2) Kipinäplasmasintraus (SPS)
SPS on samanlainen kuin HPHT siinä mielessä, että se sintrautuu ja tiivistää esimuotin korkeassa lämpötilassa ja paineessa. Ero on siinä, että SPS käyttää suurienergisiä sähkökipinöitä synnyttämään välitöntä purkausta jauhehiukkasten välillä, jolloin syntyy korkean lämpötilan plasmaa, joka vapauttaa suuren määrän lämpöä. Siksi SPS:ssä on nopeat lämmitysnopeudet ja lyhyet sintrausajat. Lisäksi sintrauspaine SPS:ssä on alhaisempi kuin HPHT:ssa.
(3) Kuumaisstaattinen puristus (HIP)
HIP-prosessissa timantti- ja piijauheet laitetaan suljetussa astiassa ja niihin kohdistetaan yhtäläinen paine kaikista suunnista, kun taas sintraus ja tiivistys valmistuvat korotetuissa lämpötiloissa. HIP toimii tyypillisesti useiden satojen megapascalien paineissa. Sen etuja ovat alhaisempi sintrauspaine ja kyky tuottaa suurempia määriä ja monimutkaisen muotoisia näytteitä. Prosessi on kuitenkin monimutkainen ja sen tuotantotehokkuus on alhainen.
(4) Prekursorien tunkeutuminen ja pyrolyysi (PIP)
PIP-menetelmässä käytetään piikarbidin esiastetta (polykarbosilaania), joka kuumennetaan ja pyrolysoidaan muodostaen piikarbidia, joka sitten toimii matriisina, joka sitoo timanttihiukkaset yhteen. Tämän prosessin etuja ovat alhainen sintrauslämpötila, kyky ottaa suuria tai monimutkaisia näytteitä ja se, ettei komposiitissa ole jäännöspiitä. Kuitenkin johtuen prekursorin alhaisesta konversiosaannosta, tiheyden parantamiseksi tarvitaan usein useita syklejä.
(5) Chemical Vapor Infiltration (CVI)
CVI on suhteellisen lievä prosessi; matalissa tunkeutumislämpötiloissa timanttihiukkaset pysyvät vakaina ja grafitoituminen vältetään. Muihin tekniikoihin verrattuna piikarbidifaasi saadaan kemiallisesta höyrysaostuksesta materiaalin pinnalle, joten piifaasi voidaan eliminoida kokonaan CVI-prosessin aikana. Tällä menetelmällä valmistetuilla komposiiteilla on suhteellisen pieni tiheys, ja niitä käytetään tyypillisesti ohutlevynäytteiden valmistukseen.
(6) Reaktiivinen tunkeutuminen (RI)
RI on tiivistysprosessi, jossa kiinteä aine sulatetaan kuumentamalla ja suodatetaan valmistettuun esimuottiin. Vahvikkeen ja matriisin välisen kostuvuuden mukaan voidaan käyttää joko paineavusteista tai paineetonta tunkeutumista.
Tässä prosessissa timanttihiukkaset ja grafiittijauhe sekoitetaan tasaisesti sideaineena käytettävän hartsin kanssa ja sitten kylmäpuristetaan tai kuumapuristetaan esimuotiksi. Aihiolle suoritetaan sitten sidosten poisto ja pyrolyysi sideaineen täydelliseksi hiiltymiseksi ja esimuotin huokoisuuden lisäämiseksi. Lopuksi piin tunkeutuminen suoritetaan kuumentamalla tyhjiössä tai inertissä ilmakehässä. Infiltraation aikana nestemäinen pii reagoi pyrolyyttisen hiilen ja lisätyn grafiittijauheen kanssa muodostaen piikarbidia. Kun hiilireaktio on päättynyt, aihion jäljellä olevat huokoset täytetään nestemäisellä piillä, mikä johtaa tiheään timantti/piikarbidi-komposiittiin. Muihin prosesseihin verrattuna RI ei vaadi monimutkaisia toimenpiteitä tai kalliita laitteita; prosessi on yksinkertainen, mutta mahdollistaa komposiitin lähes verkon muodon muodostamisen.