Da integrierte Schaltkreise in elektronischen Geräten immer komplexer werden und die Chipgrößen immer kleiner werden, beeinträchtigt eine übermäßige Wärmeansammlung während des Betriebs die Geräteleistung und kann sogar zu Kurzschlüssen und anderen Ausfällen führen. Um einen stabilen, sicheren und effizienten Betrieb elektronischer Geräte zu gewährleisten, ist die Entwicklung von Verpackungsmaterialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit, niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten, geringer Dichte und ausgezeichneter Biegefestigkeit zu einem Forschungsschwerpunkt geworden.
01 Diamant/Siliziumkarbid: Eine leistungsstarke Kombination für das Wärmemanagement
Diamant hat die höchste Wärmeleitfähigkeit aller natürlich vorkommenden Materialien, die der Mensch kennt, kombiniert mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, hoher Festigkeit und Härte sowie ausgezeichneter chemischer Stabilität, was ihn zu einem idealen Wärmemanagementmaterial macht. Siliziumkarbid besitzt außerdem einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit. Durch den Einbau von Diamant als Verstärkungsphase in Siliziumkarbid können Diamant-/Siliziumkarbid-Verbundwerkstoffe mit einstellbaren Wärmeausdehnungskoeffizienten und hoher Wärmeleitfähigkeit erzielt werden. Im Vergleich zu mit Diamant-verstärkten Metallmatrix-Verbundwerkstoffen haben Diamant und Siliziumkarbid ähnliche Strukturen und ihre Benetzbarkeit und Wärmeausdehnungsanpassung sind viel besser als die zwischen Metallen und Diamant.
02 Herstellungsprozesse für Diamant-/Siliziumkarbid-Verbundwerkstoffe
Diamant neigt bei hohen Temperaturen zur Graphitierung; Der resultierende Graphit weist eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit und Biegefestigkeit auf als Diamant. Für die erfolgreiche Herstellung von Diamant-/Siliziumkarbid-Verbundwerkstoffen ist eine wirksame Kontrolle der Diamantgraphitisierung unerlässlich. Da die Siliziumkarbidmatrix nicht direkt in eine Diamantvorform infiltriert werden kann, wird die Siliziumkarbidmatrix typischerweise durch Silizium-Kohlenstoff-Reaktionen erhalten. Die wichtigsten Herstellungsprozesse für Diamant-/Siliziumkarbid-Verbundwerkstoffe sind ungefähr die folgenden.
(1) Hochdruck-Hochtemperatur-Sintern (HPHT).
Bei der HPHT-Methode werden Diamant-Mikropulver und reines Siliziumpulver gründlich gemischt und dann hohen Temperaturen und hohem Druck ausgesetzt, um eine In-situ-Reaktion zur Bildung von Siliziumkarbid einzuleiten, wodurch letztendlich Diamant-/Siliziumkarbid-Verbundwerkstoffe entstehen. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass Diamant unter Hochdruckbedingungen keine nennenswerte Graphitierung erfährt und die Lücken zwischen Diamantpartikeln effektiv verringert werden können, wodurch Verbundwerkstoffe mit hohem Diamantvolumenanteil und hoher Dichte entstehen. Allerdings erfordert das Hochdruckverfahren teure Ausrüstung und bringt erhebliche Einschränkungen hinsichtlich der Form der hergestellten Verbundwerkstoffe mit sich.
(2) Spark-Plasma-Sintern (SPS)
SPS ähnelt HPHT darin, dass es den Vorformling unter hoher Temperatur und hohem Druck sintert und verdichtet. Der Unterschied besteht darin, dass SPS hochenergetische elektrische Funken verwendet, um eine sofortige Entladung zwischen Pulverpartikeln zu erzeugen und so ein Hochtemperaturplasma zu erzeugen, das eine große Wärmemenge freisetzt. Daher zeichnet sich SPS durch schnelle Aufheizraten und kurze Sinterzeiten aus. Darüber hinaus ist der Sinterdruck bei SPS niedriger als bei HPHT.
(3) Heißisostatisches Pressen (HIP)
Beim HIP-Verfahren werden Diamant- und Siliziumpulver in einen verschlossenen Behälter gegeben und aus allen Richtungen dem gleichen Druck ausgesetzt, während das Sintern und Verdichten bei erhöhten Temperaturen abgeschlossen wird. HIP arbeitet typischerweise bei Drücken im Bereich von mehreren hundert Megapascal. Zu den Vorteilen gehören ein geringerer Sinterdruck und die Möglichkeit, größere Volumina und komplex geformte Proben herzustellen. Der Prozess ist jedoch kompliziert und weist eine geringe Produktionseffizienz auf.
(4) Precursor-Infiltration und Pyrolyse (PIP)
Bei der PIP-Methode wird ein Siliziumkarbid-Vorläufer (Polycarbosilan) verwendet, der erhitzt und pyrolysiert wird, um Siliziumkarbid zu bilden, das dann als Matrix dient, die die Diamantpartikel zusammenhält. Die Vorteile dieses Verfahrens sind die niedrige Sintertemperatur, die Möglichkeit zur Herstellung großformatiger oder komplex geformter Proben und das Fehlen von Siliziumrückständen im Verbundwerkstoff. Aufgrund der geringen Umwandlungsausbeute des Vorläufers sind jedoch häufig mehrere Zyklen erforderlich, um die Dichte zu verbessern.
(5) Chemische Dampfinfiltration (CVI)
CVI ist ein relativ milder Prozess; Bei den niedrigen Infiltrationstemperaturen bleiben die Diamantpartikel stabil und eine Graphitisierung wird vermieden. Im Vergleich zu anderen Techniken wird die Siliziumkarbidphase durch chemische Gasphasenabscheidung auf der Materialoberfläche gewonnen, sodass die Siliziumphase während des CVI-Prozesses vollständig eliminiert werden kann. Mit dieser Methode hergestellte Verbundwerkstoffe weisen eine relativ geringe Dichte auf und werden typischerweise zur Herstellung dünner Blechproben verwendet.
(6) Reaktive Infiltration (RI)
RI ist ein Verdichtungsprozess, bei dem ein Feststoff durch Erhitzen geschmolzen und in eine vorbereitete Vorform infiltriert wird. Abhängig von der Benetzbarkeit zwischen der Bewehrung und der Matrix kann entweder eine druckunterstützte oder eine drucklose Infiltration eingesetzt werden.
Bei diesem Verfahren werden Diamantpartikel und Graphitpulver gleichmäßig vermischt, wobei Harz als Bindemittel dient, und dann kalt oder heiß gepresst, um eine Vorform zu bilden. Anschließend wird der Vorformling einer Entbinderung und Pyrolyse unterzogen, um das Bindemittel vollständig zu karbonisieren und die Porosität des Vorformlings zu erhöhen. Abschließend erfolgt die Siliziuminfiltration durch Erhitzen im Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre. Bei der Infiltration reagiert flüssiges Silizium mit dem Pyrolysekohlenstoff und dem zugesetzten Graphitpulver zu Siliziumkarbid. Nach Abschluss der Kohlenstoffreaktion werden die verbleibenden Poren in der Vorform mit flüssigem Silizium gefüllt, wodurch ein dichter Diamant-/Siliziumkarbid-Verbund entsteht. Im Vergleich zu anderen Verfahren erfordert RI keine komplexen Verfahren oder teure Ausrüstung; Der Prozess ist einfach und ermöglicht dennoch eine endkonturnahe Formung des Verbundwerkstoffs.