Poiché i circuiti integrati nei dispositivi elettronici diventano sempre più complessi e le dimensioni dei chip continuano a ridursi, l'eccessivo accumulo di calore durante il funzionamento riduce le prestazioni del dispositivo e può persino causare cortocircuiti e altri guasti. Per garantire un funzionamento stabile, sicuro ed efficiente delle apparecchiature elettroniche, lo sviluppo di materiali di imballaggio con elevata conduttività termica, basso coefficiente di dilatazione termica, bassa densità ed eccellente resistenza alla flessione è diventato un obiettivo di ricerca.
01 Diamante/carburo di silicio: una potente combinazione per la gestione termica
Il diamante ha la più alta conduttività termica di qualsiasi materiale naturale conosciuto dall'uomo, combinato con un basso coefficiente di dilatazione termica, elevata resistenza e durezza ed eccellente stabilità chimica, che lo rendono un materiale ideale per la gestione termica. Il carburo di silicio possiede anche un basso coefficiente di dilatazione termica e una conduttività termica superiore. Incorporando il diamante come fase di rinforzo nel carburo di silicio, è possibile ottenere compositi diamante/carburo di silicio con coefficienti di dilatazione termica regolabili ed elevata conduttività termica. Rispetto ai compositi a matrice metallica rinforzata con diamante-, il diamante e il carburo di silicio hanno strutture simili e la loro bagnabilità e adattamento all'espansione termica sono molto migliori di quelli tra metalli e diamante.
02 Processi di fabbricazione per compositi di diamante/carburo di silicio
Il diamante è incline alla grafitizzazione alle alte temperature; la grafite risultante ha una conduttività termica e una resistenza alla flessione significativamente inferiori rispetto al diamante. Per fabbricare con successo compositi diamante/carburo di silicio, è essenziale un controllo efficace della grafitizzazione del diamante. Poiché la matrice di carburo di silicio non può essere infiltrata direttamente in una preforma di diamante, la matrice di carburo di silicio viene generalmente ottenuta attraverso reazioni silicio-carbonio. I principali processi di fabbricazione dei compositi diamante/carburo di silicio sono grosso modo i seguenti.
(1) Sinterizzazione ad alta pressione e alta temperatura (HPHT).
Nel metodo HPHT, la micropolvere di diamante e la polvere di silicio puro vengono accuratamente miscelate e quindi sottoposte ad alta temperatura e alta pressione per subire una reazione in situ che forma carburo di silicio, ottenendo infine compositi diamante/carburo di silicio. Il vantaggio di questo metodo è che in condizioni di alta pressione, il diamante non subisce una grafitizzazione significativa e gli spazi tra le particelle di diamante possono essere efficacemente ridotti, producendo compositi con elevata frazione volumetrica di diamante e alta densità. Tuttavia, il processo ad alta pressione richiede attrezzature costose e impone limitazioni significative sulla forma dei compositi fabbricati.
(2) Sinterizzazione al plasma Spark (SPS)
L'SPS è simile all'HPHT in quanto sinterizza e densifica la preforma ad alta temperatura e pressione. La differenza sta nel fatto che l’SPS utilizza scintille elettriche ad alta energia per generare una scarica istantanea tra le particelle di polvere, producendo plasma ad alta temperatura che rilascia una grande quantità di calore. Pertanto, SPS presenta velocità di riscaldamento rapide e tempi di sinterizzazione brevi. Inoltre, la pressione di sinterizzazione nell'SPS è inferiore a quella nell'HPHT.
(3) Pressatura isostatica a caldo (HIP)
Nel processo HIP, le polveri di diamante e silicio vengono collocate in un contenitore sigillato e sottoposte alla stessa pressione da tutte le direzioni, mentre la sinterizzazione e la densificazione vengono completate a temperature elevate. L'HIP funziona tipicamente a pressioni nell'ordine di diverse centinaia di megapascal. I suoi vantaggi includono una pressione di sinterizzazione inferiore e la capacità di produrre volumi più grandi e campioni di forma complessa. Tuttavia, il processo è complicato e ha una bassa efficienza produttiva.
(4) Infiltrazione e pirolisi dei precursori (PIP)
Il metodo PIP utilizza un precursore di carburo di silicio (policarbosilano) che viene riscaldato e pirolizzato per formare carburo di silicio, che funge quindi da matrice che lega insieme le particelle di diamante. I vantaggi di questo processo sono la bassa temperatura di sinterizzazione, la capacità di campioni su larga scala o di forma complessa e l'assenza di silicio residuo nel composito. Tuttavia, a causa della bassa resa di conversione del precursore, sono spesso necessari più cicli per migliorare la densità.
(5) Infiltrazione di vapori chimici (CVI)
Il CVI è un processo relativamente lieve; alle basse temperature di infiltrazione, le particelle di diamante rimangono stabili e si evita la grafitizzazione. Rispetto ad altre tecniche, la fase di carburo di silicio deriva dalla deposizione di vapori chimici sulla superficie del materiale, pertanto la fase di silicio può essere completamente eliminata durante il processo CVI. I compositi preparati con questo metodo hanno una densità relativamente bassa e vengono generalmente utilizzati per produrre campioni in fogli sottili.
(6) Infiltrazione reattiva (RI)
L'RI è un processo di densificazione in cui un solido viene fuso mediante riscaldamento e infiltrato in una preforma preparata. A seconda della bagnabilità tra il rinforzo e la matrice, è possibile utilizzare l’infiltrazione con pressione assistita o senza pressione.
In questo processo, le particelle di diamante e la polvere di grafite vengono miscelate uniformemente, con la resina utilizzata come legante, e quindi pressate a freddo o a caldo per formare una preforma. La preforma viene quindi sottoposta a deceraggio e pirolisi per carbonizzare completamente il legante e aumentare la porosità della preforma. Infine, l'infiltrazione del silicio viene effettuata mediante riscaldamento sotto vuoto o in atmosfera inerte. Durante l'infiltrazione, il silicio liquido reagisce con il carbonio pirolitico e la polvere di grafite aggiunta per formare carburo di silicio. Una volta completata la reazione del carbonio, i pori rimanenti nella preforma vengono riempiti con silicio liquido, ottenendo un composito denso di diamante/carburo di silicio. Rispetto ad altri processi, il RI non richiede procedure complesse o attrezzature costose; il processo è semplice ma consente la formazione di una forma quasi netta del composito.