Diamant/ siliciumcarbide: een efficiënt partnerschap voor thermisch beheer

Naarmate elektronische apparaten steeds meer geïntegreerd worden, blijven halfgeleidercomponenten krimpen terwijl hun vermogendichtheid toeneemt.Overmatige ophoping van warmte kan de prestaties van het apparaat verminderen, versnellen de afbraak van het materiaal en in ernstige gevallen bijdragen tot elektrische storingen.

Daarom richten onderzoekers zich op geavanceerde verpakkings- en warmtebeheermaterialen diehoge thermische geleidbaarheid, lage thermische expansie, lage dichtheid en uitstekende mechanische sterkteOnder de onderzochte materialen hebben diamanten en siliciumcarbide (SiC) bijzondere aandacht getrokken.

01Diamant/ siliciumcarbide: combinatie van twee hoogwaardige materialen

Diamant wordt algemeen erkend als een van de materialen met de hoogste thermische geleidbaarheid, maar biedt ook een lage koëfficiënt van thermische uitbreiding, uitzonderlijke hardheid en sterkte,en uitstekende chemische stabiliteitDeze eigenschappen maken diamant zeer aantrekkelijk voor geavanceerde thermische beheersingstoepassingen.

Siliconcarbide biedt ook een combinatie van hoge thermische geleidbaarheid, lage thermische expansie, hoge mechanische sterkte en uitstekende chemische stabiliteit.Door diamant als versterkingsfase in een SiC-matrix op te nemen, kunnen ingenieursdiamanten/siliconcarbide composietenmet controleerbare thermische uitbreiding en uitstekende warmteafvoer.

In vergelijking met metalen matrixcomposites met diamantversterking bieden diamanten/SiC-systemen voordelen op het gebied van materiaalcompatibiliteit.Diamant en SiC hebben relatief vergelijkbare structurele en thermische kenmerken, terwijl hun interface een betere compatibiliteit kan bieden dan die tussen diamant en veel metalen matrices.Dit maakt het diamant/SiC-systeem bijzonder interessant voor toepassingen waar zowel thermische prestaties als dimensionale stabiliteit belangrijk zijn.

02. Hoe worden diamanten/siliciumcarbidecomposites vervaardigd?

Een van de belangrijkste uitdagingen bij de vervaardiging van diamant/SiC-composites is de beheersing van de thermische stabiliteit van diamant.

Bij extreem hoge temperaturen kan diamant grafitisatie ondergaan en veranderen in grafiet.grafiet heeft over het algemeen een aanzienlijk lagere warmtegeleidbaarheid en mechanische sterkteDaarom moet het productieproces zorgvuldig een evenwicht scheppen tussen temperatuur, druk, reactietijd en de samenstelling van het materiaal.

Aangezien de SiC-matrix niet zomaar door een dichte diamantvorming kan doordringen, wordt SiC gewoonlijk gegenereerd door reacties met silicium en koolstof.,In de eerste plaats is het van belang dat de productie in de Gemeenschap wordt georganiseerd en dat de productie op grote schaal wordt uitgevoerd.

1. Hoogdruk-hoogtemperatuur sinteren

Bij hoogdruk-hoge-temperatuurverwerking (HPHT) wordt diamantenpoeder met siliciumpoeder gemengd en het mengsel onder verhoogde temperatuur en druk geplaatst.silicium reageert met koolstof tot siliciumcarbide, waardoor een dicht diamant/SiC-composite wordt geproduceerd.

Een groot voordeel van HPHT-verwerking is dat de hoge druk omgeving helpt bij het onderdrukken van overmatige grafitisering van diamanten.die de productie van composieten metmet een hoog diamantenvolume en een hoge dichtheid.

De HPHT vereist echter gespecialiseerde apparatuur die in staat is hoge druk en temperatuur te handhaven.terwijl de haalbare componentengeometrie beperkt kan zijn.

2. Spark Plasma Sintering

Spark plasma sintering (SPS) is een andere drukondersteunde verdichtingstechniek.produceren van gelokaliseerde verwarming en plasma effecten.

In vergelijking met de conventionele hogedruk/hoge temperatuurverwerking biedt SPS eensnelle verwarming en relatief korte sintercyclusDe vereiste druk kan ook lager zijn dan die welke in sommige HPHT-processen wordt gebruikt.

Deze eigenschappen maken SPS aantrekkelijk wanneer de verwerkingstijd en temperatuurregeling belangrijk zijn.

3Warm isostatisch persen

Met warm isostatisch persen (HIP) worden diamanten en siliciumhoudende poeders in een afgesloten container geplaatst en wordt er gelijkmatig druk uit meerdere richtingen uitgeoefend terwijl het materiaal tegelijkertijd wordt verwarmd.

HIP werkt bij druk van honderden megapascals.de techniek kan worden gebruikt om relatief grote of geometrisch complexe componenten met een goede dichtheid te produceren.

De nadelen zijn een relatief ingewikkeld proces, gespecialiseerde apparatuur en een relatief lage productie-efficiëntie.

4. Polymerinfiltratie en pyrolyse

Bij polymerinfiltratie en pyrolyse (PIP) wordt een siliconcarbidevoorloper, zoals polycarbosilaan, gebruikt als bron van de SiC-matrix.

Tijdens het verwarmen ontbindt de voorloper en wordt omgezet in siliciumcarbide.

PIP biedt verschillende voordelen, waaronder een relatief lage verwerkingstemperatuur en de mogelijkheid om grote of complexe onderdelen te produceren.Het kan ook de aanwezigheid van restvrij silicium in het eindcomposite verminderen.

De omzetting van voorlopers is echter over het algemeen onvolledig tijdens een enkele cyclus. Daarom kunnen meerdere infiltratie- en pyrolysecycli nodig zijn om de dichtheid te verhogen en de restporositeit te verminderen.

5Chemische dampinfiltratie

Chemische dampinfiltratie (CVI) is een relatief zachte verwerkingsmethode.

Omdat de infiltratietemperatuur kan worden gecontroleerd om de stabiliteit van de diamant te behouden, kan CVI helpen het risico op grafitisering te verminderen.de SiC-fase wordt ingevoerd door afzetting in de dampfase in plaats van infiltratie van vloeibaar silicium, waardoor vrij silicium kan worden geminimaliseerd of geëlimineerd.

De belangrijkste beperking is dat CVI in het algemeen composieten produceert met een lagere dichtheid en relatief trage verwerkingssnelheden.

6Reactieve infiltratie.

Reactieve infiltratie (RI), ook wel bekend als silicium smelt infiltratie in relevante systemen, is een verdunderingsproces waarbij gesmolten silicium een voorbereide poreuze prevorm binnendringt.

Afhankelijk van de natte eigenschappen tussen de versterking en de matrix kan zowel drukondersteunde infiltratie als drukloze infiltratie worden gebruikt.

Een typisch proces begint met het gelijkmatig mengen van diamantdeeltjes met grafietpoeder en een harsbindmiddel.

Na de vorming ondergaat de prevorm ontbinding en pyrolyse.

De preform wordt vervolgens verwarmd in een vacuüm of inerte atmosfeer om gesmolten silicium in de poreuze structuur te laten infiltreren.Het vloeibare silicium reageert met pyrolytische koolstof en grafiet om siliciumcarbide te vormenZodra de koolstof-siliciumreactie is voltooid, worden de overgebleven poriën gevuld met silicium, wat resulteert in een dichte diamant/SiC-composite.

In vergelijking met verschillende andere geavanceerde fabricagetechnieken biedt reactieve infiltratie een relatief eenvoudig proces en vereist het niet noodzakelijkerwijs extreem complexe of dure apparatuur.Een ander belangrijk voordeel is het vermogen om onderdelen te producerendicht bij de einddimensies, waardoor de benodigde bewerkingen worden verminderd.

03Waarom diamant/SiC belangrijk is voor geavanceerd thermisch beheer

De combinatie van diamant en siliciumcarbide combineert verschillende eigenschappen die zeer wenselijk zijn voor moderne elektronische verpakkingen: efficiënte warmteoverdracht, gecontroleerde thermische uitbreiding,hoge mechanische sterkte, en chemische stabiliteit.

Aangezien de krachtdichtheid van halfgeleiders blijft toenemen, hebben diamant/SiC-composites potentieel voor toepassingen zoals:geavanceerde elektronische verpakkingen, krachtige halfgeleidermodules, RF-apparaten, lasersystemen en andere warmtegevoelige componenten.

De keuze van een geschikte fabricagemethode hangt uiteindelijk af van de vereiste thermische geleidbaarheid, het diamantgehalte, de dichtheid, de componentengeometrie, de dimensionale nauwkeurigheid en het productievolume.