Con il continuo sviluppo della microelettronica e delle tecnologie di comunicazione 5G, i componenti elettronici si stanno muovendo verso la miniaturizzazione e densità di integrazione più elevate. I materiali di imballaggio elettronici tradizionali-che presentano una bassa conduttività termica, una scarsa efficienza di dissipazione del calore e coefficienti di espansione termica relativamente elevati-possono causare il surriscaldamento nei dispositivi elettronici ad alta-velocità, con conseguenti danni o addirittura guasti e quindi non possono soddisfare le esigenze dei circuiti integrati ad alte-prestazioni.
Il diamante possiede eccellenti proprietà termodinamiche, strutturali ed elettroniche, con una conduttività termica superiore a 2000 W/(m·K), che lo rendono un materiale ideale per la dissipazione del calore-. Il rame, d'altro canto, offre eccezionale lavorabilità e conduttività termica. La combinazione dei due produce compositi diamante/rame con bassa densità, elevata conduttività termica e coefficienti di dilatazione termica regolabili, che li rendono uno dei materiali di gestione termica più attraenti.
Attualmente esistono molti metodi per preparare compositi diamante/rame, come la metallurgia delle polveri, l’infiltrazione e la produzione additiva. Tra questi, la metallurgia delle polveri è diventata uno degli approcci più comunemente utilizzati grazie al suo semplice percorso di lavorazione e alle eccellenti proprietà dei compositi risultanti. In questo metodo, la polvere di rame e le particelle di diamante vengono miscelate uniformemente mediante macinazione a sfere o altri mezzi, e quindi consolidate mediante sinterizzazione per produrre compositi con una microstruttura omogenea.
Le tecniche di sinterizzazione comunemente utilizzate includono la sinterizzazione con pressatura a caldo sotto vuoto, la sinterizzazione con pressatura a caldo rapida e la sinterizzazione con plasma a scintilla.
Sinterizzazione con pressatura a caldo sotto vuoto-:
Le particelle di diamante metallizzato vengono mescolate con polvere di rame e quindi sinterizzate sotto vuoto sotto pressione e temperatura applicate (sinterizzazione in fase-solida o liquida-).
Vantaggi: tecnologia matura, attrezzature ampiamente disponibili.
Svantaggi: elevata temperatura di sinterizzazione (900–1000 gradi), rischio di grafitizzazione del diamante.
Sinterizzazione rapida con pressatura a caldo-:
Una fonte di calore esterna riscalda rapidamente lo stampo e la polvere mentre viene applicata una pressione uniassiale, consentendo una rapida densificazione.
Vantaggi: (1) tempo di sinterizzazione breve, che riduce significativamente l'esposizione del diamante alle alte temperature e sopprime efficacemente la grafitizzazione; (2) densità relativa elevata, che supera il 95% e si avvicina alla densità teorica; (3) struttura dell'attrezzatura semplice e a basso costo; (4) regolazione flessibile della temperatura di sinterizzazione, della pressione e del tempo di mantenimento, adatta per l'ottimizzazione del processo.
Svantaggi: (1) il riscaldamento esterno provoca un gradiente di temperatura sui bordi dello stampo; (2) la dimensione del campione è limitata dalle dimensioni dello stampo.
Sinterizzazione al plasma a scintilla:
Una corrente elettrica pulsata genera plasma a scintilla tra le particelle di polvere, consentendo un rapido riscaldamento e sinterizzazione.
Vantaggi: velocità di riscaldamento rapida, tempo di sinterizzazione breve, riduzione delle reazioni interfacciali eccessive.
Svantaggi: attrezzature costose, dimensione del campione limitata.
L'implementazione pratica di questi processi di sinterizzazione si basa sul supporto di apparecchiature di sinterizzazione ad alta-temperatura.