کاربید الماس/سیلیکون: یک مشارکت با عملکرد بالا برای مدیریت حرارتی

به عنوان دستگاه های الکترونیکی به طور فزاینده ای یکپارچه می شوند، قطعات نیمه هادی همچنان کوچک می شوند در حالی که تراکم قدرت آنها افزایش می یابد. این یک چالش فزاینده برای مدیریت حرارتی ایجاد می کند.جمع آوری بیش از حد گرما می تواند عملکرد دستگاه را کاهش دهد، تخریب مواد را تسریع می کنند و در موارد شدید به خرابی های الکتریکی کمک می کنند.

در نتیجه، محققان بر روی مواد پیشرفته بسته بندی و مدیریت حرارتی تمرکز می کنند که ترکیبی ازرسانایی حرارتی بالا، گسترش حرارتی پایین، تراکم پایین و مقاومت مکانیکی عالیدر میان مواد مورد بررسی، الماس و سیلیکون کاربید (SiC) توجه ویژه ای را به خود جلب کرده اند.

01الماس/کاربید سیلیکون: ترکیب دو ماده با عملکرد بالا

الماس به طور گسترده ای به عنوان یکی از مواد با بالاترین رسانایی حرارتی شناخته شده است، در حالی که همچنین یک ضریب گسترش حرارتی پایین، سختی استثنایی و قدرت را ارائه می دهد،و ثبات شیمیایی عالیاین خواص الماس را برای کاربردهای پیشرفته مدیریت حرارتی بسیار جذاب می کند.

کربید سیلیکون همچنین ترکیبی از رسانایی حرارتی بالا، گسترش حرارتی پایین، قدرت مکانیکی بالا و ثبات شیمیایی عالی را ارائه می دهد.با ترکیب الماس به عنوان یک فاز تقویت کننده در یک ماتریس SiC، مهندسان می توانند توسعه دهندکامپوزیت های الماس/کاربید سیلیکونبا گسترش حرارتی قابل کنترل و عملکرد بسیار عالی در از بین بردن گرما

در مقایسه با کامپوزیت های متریکسی فلزی تقویت شده با الماس، سیستم های الماس / SiC از نظر سازگاری مواد مزایای زیادی دارند.الماس و SiC ویژگی های ساختاری و حرارتی نسبتا مشابهی دارند، در حالی که رابط آنها می تواند سازگاری بهتر از بین الماس و بسیاری از ماتریس های فلزی را فراهم کند.این باعث می شود که سیستم الماس / SiC به ویژه برای کاربردهایی که عملکرد حرارتی و ثبات ابعاد مهم است، جالب باشد.

02چگونه کامپوزیت های کاربید الماس و سیلیکون تولید می شوند؟

یکی از چالش های اصلی در تولید کامپوزیت های الماس / SiC کنترل ثبات حرارتی الماس است.

در دمای بسیار بالا، الماس می تواند تحت گریفیت شدن قرار گیرد و به گریفیت تبدیل شود.گرافیت به طور کلی دارای رسانایی حرارتی و قدرت مکانیکی بسیار پایین تر استبنابراین، فرآیند تولید باید با دقت درجه حرارت، فشار، زمان واکنش و ترکیب مواد را متعادل کند.

از آنجا که ماتریس SiC نمی تواند به سادگی به یک پیش قالب الماس متراکم نفوذ کند، SiC معمولاً از طریق واکنش های شامل سیلیکون و کربن تولید می شود. بسته به خواص مورد نیاز مواد، هندسه,و مقیاس تولید، چندین فناوری تولید می تواند استفاده شود.

1. سینتر کردن با فشار بالا و دمای بالا

پردازش با فشار بالا و دمای بالا (HPHT) شامل مخلوط کردن پودر الماس با پودر سیلیکون و قرار دادن مخلوط در دمای بالا و فشار بالا است.سیلیکون با کربن واکنش نشان می دهد تا کربید سیلیکون را تشکیل دهد، تولید یک تراکت الماس / SiC متراکم.

یک مزیت عمده پردازش HPHT این است که محیط با فشار بالا به سرکوب گرافیتیزاسیون الماس بیش از حد کمک می کند.که امکان تولید کامپوزیت ها باقطعات حجم الماس بالا و تراکم بالا.

با این حال، HPHT نیاز به تجهیزات تخصصی دارد که قادر به حفظ فشار و دمای بالا هستند. بنابراین سرمایه گذاری تجهیزات و هزینه های پردازش می تواند نسبتا بالا باشد.در حالی که هندسه ی اجزای قابل دستیابی ممکن است محدود باشد.

2. سینتر کردن پلاسما با جرقه

سینتر کردن پلاسمای جرقه (SPS) یک روش دیگر فشاری است. در طول SPS، انرژی الکتریکی به سرعت از طریق پودر فشرده خارج می شود،تولید گرمایش محلی و اثرات پلاسما.

در مقایسه با پردازش فشار بالا / درجه حرارت بالا، SPS یکسرعت گرم کردن سریع و چرخه سینتر کردن نسبتا کوتاهفشار مورد نیاز نیز می تواند کمتر از آن است که در برخی از فرآیندهای HPHT استفاده می شود.

این ویژگی ها SPS را در زمانی که زمان پردازش و کنترل دمای مهم است جذاب می کند.

3فشار گرم ایزواستاتیک

فشرده سازی ایزواستاتیک گرم (HIP) پودرهای حاوی الماس و سیلیکون را در داخل یک ظروف بسته قرار می دهد و فشار یکنواخت را از جهت های مختلف اعمال می کند در حالی که همزمان مواد را گرم می کند.

HIP معمولاً در فشارهای صدها مگاپاسکال عمل می کند.این روش می تواند برای تولید اجزای نسبتا بزرگ یا هندسی پیچیده با چگالی خوب استفاده شود..

معایب شامل فرآیند نسبتا پیچیده، تجهیزات تخصصی و بهره وری تولید نسبتا کم است.

4. نفوذ پلیمری و پیرولیز

نفوذ پلیمری و پیرولیز (PIP) از یک پیشگام کربید سیلیکون، مانند پلی کاربوسیلان، به عنوان منبع ماتریس SiC استفاده می کند.

در طول گرم کردن، پیشگام تجزیه می شود و به کربید سیلیکون تبدیل می شود. مرحله SiC حاصل به تدریج به ذرات الماس متصل می شود و آنها را احاطه می کند.

PIP مزایای متعددی را ارائه می دهد، از جمله دمای پردازش نسبتا پایین و توانایی تولید قطعات بزرگ یا پیچیده.همچنین می تواند حضور سیلیکون آزاد باقی مانده را در کامپوزیت نهایی کاهش دهد..

با این حال، تبدیل پیشگام به طور کلی در طول یک چرخه کامل نیست. بنابراین ممکن است چندین چرخه نفوذ و پیرولیز برای افزایش تراکم و کاهش متخلخل باقی مانده مورد نیاز باشد.

5نفوذ بخار شیمیایی

نفوذ بخار شیمیایی (CVI) یک روش پردازش نسبتاً ملایم است. کربید سیلیکون از یک پیشگام گازی روی و بین ذرات الماس قرار می گیرد.

از آنجا که دمای نفوذ را می توان برای حفظ ثبات الماس کنترل کرد، CVI می تواند به کاهش خطر گرافیتیزه شدن کمک کند.مرحله SiC از طریق رسوب فاز بخار به جای نفوذ سیلیکون مایع وارد می شود، اجازه می دهد که سیلیکون آزاد به حداقل برسد یا از بین برود.

محدودیت اصلی این است که CVI به طور کلی کامپوزیت هایی با تراکم پایین تر و سرعت پردازش نسبتاً آهسته تولید می کند. بنابراین اغلب برای اجزای نازک یا نسبتاً کوچک مورد توجه قرار می گیرد.

6. نفوذ فعال

نفوذ واکنش (RI) ، همچنین به عنوان نفوذ ذوب سیلیکون در سیستم های مربوطه شناخته می شود، یک فرآیند چگال کننده است که در آن سیلیکون ذوب شده به یک پیش قالب متخلخل آماده نفوذ می کند.

بسته به ویژگی های مرطوب شدن بین تقویت کننده و ماتریس، یا نفوذ تحت فشار یا نفوذ بدون فشار می تواند استفاده شود.

یک فرآیند معمول با مخلوط کردن قطرات الماس با پودر گرافیت و یک ماده اتصال دهنده رزین آغاز می شود. سپس این مخلوط به صورت سرد یا گرم فشار داده می شود.

پس از شکل گیری، پیش قالب از پاکسازی و پیرولیز رنج می برد. باندر به کربن تبدیل می شود در حالی که منافذ داخلی پیش قالب تنظیم می شود تا نفوذ بعدی را تسهیل کند.

سپس پیش قالب در خلاء یا اتمسفر بی اثر گرم می شود تا سیلیکون ذوب به ساختار متخلخل نفوذ کند.سیلیکون مایع با کربن پیرولیتیک و گرافیت واکنش نشان می دهد تا کربید سیلیکون را تشکیل دهدپس از اتمام واکنش کربن-سیلیکون، منافذ باقیمانده توسط سیلیکون پر می شوند و در نتیجه یک کامپوزیت الماس / SiC متراکم ایجاد می شود.

در مقایسه با چندین تکنیک تولید پیشرفته دیگر، نفوذ واکنشی یک فرآیند نسبتاً ساده را ارائه می دهد و لزوماً نیازی به تجهیزات بسیار پیچیده یا گران قیمت ندارد.یک مزیت مهم دیگر این است که توانایی تولید قطعاتنزدیک به ابعاد نهایی آنها، کاهش مقدار پردازش بعدی مورد نیاز.

03چرا الماس/SiC برای مدیریت حرارتی پیشرفته اهمیت دارد

ترکیب الماس و کربید سیلیکون چندین خاصیت را که برای بسته بندی الکترونیک مدرن بسیار مطلوب است به هم می پیوندد: انتقال گرما کارآمد، گسترش حرارتی کنترل شده،قدرت مکانیکی بالا، و ثبات شیمیایی.

از آنجا که تراکم قدرت نیمه هادی همچنان در حال افزایش است ، کامپوزیت های الماس / SiC پتانسیل کاربردهایی مانند:بسته بندی الکترونیکی پیشرفته، ماژول های نیمه هادی با قدرت بالا، دستگاه های RF، سیستم های لیزر و سایر اجزای حساس به گرما.

انتخاب یک روش ساخت مناسب در نهایت به رسانایی حرارتی مورد نیاز، محتوای الماس، تراکم، هندسه قطعات، دقت ابعاد و حجم تولید بستگی دارد.