A medida que los circuitos integrados de los dispositivos electrónicos se vuelven cada vez más complejos y el tamaño de los chips continúa reduciéndose, la acumulación excesiva de calor durante el funcionamiento degrada el rendimiento del dispositivo e incluso puede provocar cortocircuitos y otras fallas. Para garantizar un funcionamiento estable, seguro y eficiente de los equipos electrónicos, el desarrollo de materiales de embalaje con alta conductividad térmica, bajo coeficiente de expansión térmica, baja densidad y excelente resistencia a la flexión se ha convertido en un foco de investigación.
01 Diamante/carburo de silicio: una poderosa combinación para la gestión térmica
El diamante tiene la conductividad térmica más alta de cualquier material natural conocido por el hombre, combinado con un bajo coeficiente de expansión térmica, alta resistencia y dureza, y una excelente estabilidad química, lo que lo convierte en un material de gestión térmica ideal. El carburo de silicio también posee un bajo coeficiente de expansión térmica y una conductividad térmica superior. Al incorporar diamante como fase de refuerzo en el carburo de silicio, se pueden lograr compuestos de diamante/carburo de silicio con coeficientes de expansión térmica ajustables y alta conductividad térmica. En comparación con los compuestos de matriz metálica reforzados con diamante-, el diamante y el carburo de silicio tienen estructuras similares, y su humectabilidad y expansión térmica son mucho mejores que las de los metales y el diamante.
02 Procesos de fabricación de compuestos de diamante/carburo de silicio
El diamante es propenso a grafitizarse a altas temperaturas; el grafito resultante tiene una conductividad térmica y una resistencia a la flexión significativamente menores que el diamante. Para fabricar con éxito compuestos de diamante/carburo de silicio, es esencial un control eficaz de la grafitización del diamante. Dado que la matriz de carburo de silicio no se puede infiltrar directamente en una preforma de diamante, la matriz de carburo de silicio normalmente se obtiene mediante reacciones silicio-carbono. Los principales procesos de fabricación de compuestos de diamante/carburo de silicio son aproximadamente los siguientes.
(1) Sinterización a alta presión y alta temperatura (HPHT)
En el método HPHT, el micropolvo de diamante y el polvo de silicio puro se mezclan completamente y luego se someten a altas temperaturas y altas presiones para sufrir una reacción in situ que forma carburo de silicio, lo que finalmente produce compuestos de diamante/carburo de silicio. La ventaja de este método es que, en condiciones de alta presión, el diamante no sufre una grafitización significativa y los espacios entre las partículas de diamante se pueden reducir de manera efectiva, produciendo compuestos con una alta fracción de volumen de diamante y alta densidad. Sin embargo, el proceso de alta presión exige equipos costosos e impone limitaciones significativas en la forma de los compuestos fabricados.
(2) Sinterización por plasma por chispa (SPS)
SPS es similar a HPHT en que sinteriza y densifica la preforma a alta temperatura y presión. La diferencia radica en que SPS utiliza chispas eléctricas de alta energía para generar una descarga instantánea entre las partículas de polvo, produciendo plasma de alta temperatura que libera una gran cantidad de calor. Por lo tanto, SPS presenta velocidades de calentamiento rápidas y tiempos de sinterización cortos. Además, la presión de sinterización en SPS es menor que en HPHT.
(3) Prensado isostático en caliente (HIP)
En el proceso HIP, los polvos de diamante y silicio se colocan en un recipiente sellado y se someten a presión igual desde todas las direcciones, mientras que la sinterización y la densificación se completan a temperaturas elevadas. HIP normalmente opera a presiones en el rango de varios cientos de megapascales. Sus ventajas incluyen una menor presión de sinterización y la capacidad de producir mayores volúmenes y muestras de formas complejas. Sin embargo, el proceso es complicado y tiene una baja eficiencia de producción.
(4) Infiltración de precursores y pirólisis (PIP)
El método PIP utiliza un precursor de carburo de silicio (policarbosilano) que se calienta y piroliza para formar carburo de silicio, que luego sirve como matriz que une las partículas de diamante. Las ventajas de este proceso son la baja temperatura de sinterización, la capacidad para muestras a gran escala o de formas complejas y la ausencia de silicio residual en el compuesto. Sin embargo, debido al bajo rendimiento de conversión del precursor, a menudo se requieren múltiples ciclos para mejorar la densidad.
(5) Infiltración de vapores químicos (CVI)
La CVI es un proceso relativamente leve; a bajas temperaturas de infiltración, las partículas de diamante permanecen estables y se evita la grafitización. En comparación con otras técnicas, la fase de carburo de silicio se deriva de la deposición química de vapor en la superficie del material, por lo que la fase de silicio puede eliminarse por completo durante el proceso CVI. Los compuestos preparados mediante este método tienen una densidad relativamente baja y normalmente se utilizan para producir muestras de láminas delgadas.
(6) Infiltración reactiva (RI)
RI es un proceso de densificación en el que un sólido se funde calentándolo y se infiltra en una preforma preparada. Dependiendo de la humectabilidad entre el refuerzo y la matriz, se puede emplear infiltración asistida por presión o sin presión.
En este proceso, las partículas de diamante y el polvo de grafito se mezclan uniformemente, se utiliza resina como aglutinante y luego se prensan en frío o en caliente para formar una preforma. Luego, la preforma se somete a desaglutinación y pirólisis para carbonizar completamente el aglutinante y aumentar la porosidad de la preforma. Finalmente, la infiltración de silicio se realiza mediante calentamiento al vacío o en atmósfera inerte. Durante la infiltración, el silicio líquido reacciona con el carbón pirolítico y el polvo de grafito añadido para formar carburo de silicio. Una vez completada la reacción del carbono, los poros restantes de la preforma se llenan con silicio líquido, lo que da como resultado un compuesto denso de diamante/carburo de silicio. En comparación con otros procesos, la IR no requiere procedimientos complejos ni equipos costosos; El proceso es simple pero permite formar el compuesto con una forma casi neta.