Khi các mạch tích hợp trong các thiết bị điện tử ngày càng trở nên phức tạp và kích thước chip tiếp tục co lại, sự tích tụ nhiệt quá mức trong quá trình vận hành sẽ làm giảm hiệu suất của thiết bị và thậm chí có thể gây ra đoản mạch cũng như các hư hỏng khác. Để đảm bảo thiết bị điện tử hoạt động ổn định, an toàn và hiệu quả, việc phát triển vật liệu đóng gói có tính dẫn nhiệt cao, hệ số giãn nở nhiệt thấp, mật độ thấp và độ bền uốn tuyệt vời đã trở thành trọng tâm nghiên cứu.
01 Kim cương/Silic cacbua: Sự kết hợp mạnh mẽ để quản lý nhiệt
Kim cương có độ dẫn nhiệt cao nhất so với bất kỳ vật liệu tự nhiên nào mà con người biết đến, kết hợp với hệ số giãn nở nhiệt thấp, độ bền và độ cứng cao cũng như độ ổn định hóa học tuyệt vời, khiến nó trở thành vật liệu quản lý nhiệt lý tưởng. Cacbua silic cũng có hệ số giãn nở nhiệt thấp và độ dẫn nhiệt vượt trội. Bằng cách kết hợp kim cương làm pha gia cố vào cacbua silic, có thể đạt được vật liệu tổng hợp kim cương/cacbua silic với hệ số giãn nở nhiệt có thể điều chỉnh và độ dẫn nhiệt cao. So với vật liệu tổng hợp ma trận kim loại được gia cố bằng kim cương-, kim cương và cacbua silic có cấu trúc tương tự nhau, đồng thời khả năng thấm ướt và giãn nở nhiệt của chúng phù hợp hơn nhiều so với kim loại và kim cương.
02 Quy Trình Chế Tạo Vật Liệu Composite Kim Cương/Silic Cacbua
Kim cương dễ bị than chì hóa ở nhiệt độ cao; than chì thu được có độ dẫn nhiệt và độ bền uốn thấp hơn đáng kể so với kim cương. Để chế tạo thành công vật liệu tổng hợp kim cương/silicon cacbua, việc kiểm soát hiệu quả quá trình grafit hóa kim cương là điều cần thiết. Do ma trận cacbua silic không thể được đưa trực tiếp vào phôi kim cương nên ma trận cacbua silic thường thu được thông qua các phản ứng silic-cacbon. Các quy trình chế tạo chính cho vật liệu tổng hợp kim cương/silicon cacbua đại khái như sau.
(1) Thiêu kết nhiệt độ cao áp suất cao (HPHT)
Trong phương pháp HPHT, vi bột kim cương và bột silicon nguyên chất được trộn kỹ, sau đó chịu nhiệt độ và áp suất cao để trải qua phản ứng tại chỗ tạo thành cacbua silic, cuối cùng thu được vật liệu tổng hợp kim cương/cacbua silic. Ưu điểm của phương pháp này là trong điều kiện áp suất cao, kim cương không trải qua quá trình grafit hóa đáng kể và khoảng cách giữa các hạt kim cương có thể được giảm đi một cách hiệu quả, tạo ra vật liệu tổng hợp có tỷ lệ thể tích kim cương cao và mật độ cao. Tuy nhiên, quy trình áp suất cao đòi hỏi thiết bị đắt tiền và đặt ra những hạn chế đáng kể về hình dạng của vật liệu tổng hợp được chế tạo.
(2) Thiêu kết tia lửa plasma (SPS)
SPS tương tự như HPHT ở chỗ nó thiêu kết và làm đặc khuôn phôi dưới nhiệt độ và áp suất cao. Sự khác biệt nằm ở chỗ SPS sử dụng tia lửa điện năng lượng cao để tạo ra sự phóng điện tức thời giữa các hạt bột, tạo ra plasma nhiệt độ cao giải phóng một lượng nhiệt lớn. Do đó, SPS có tốc độ gia nhiệt nhanh và thời gian thiêu kết ngắn. Ngoài ra, áp suất thiêu kết trong SPS thấp hơn trong HPHT.
(3) Ép đẳng tĩnh nóng (HIP)
Trong quy trình HIP, bột kim cương và silicon được đặt trong một hộp kín và chịu áp suất bằng nhau từ mọi hướng, trong khi quá trình thiêu kết và cô đặc được hoàn thành ở nhiệt độ cao. HIP thường hoạt động ở áp suất trong khoảng vài trăm megapascal. Ưu điểm của nó bao gồm áp suất thiêu kết thấp hơn và khả năng tạo ra khối lượng lớn hơn và các mẫu có hình dạng phức tạp. Tuy nhiên, quá trình này phức tạp và hiệu quả sản xuất thấp.
(4) Xâm nhập và nhiệt phân tiền chất (PIP)
Phương pháp PIP sử dụng tiền chất cacbua silic (polycarbosilane) được nung nóng và nhiệt phân để tạo thành cacbua silic, sau đó đóng vai trò là ma trận liên kết các hạt kim cương với nhau. Ưu điểm của quy trình này là nhiệt độ thiêu kết thấp, khả năng xử lý các mẫu có quy mô lớn hoặc có hình dạng phức tạp và không có silicon dư trong hỗn hợp. Tuy nhiên, do hiệu suất chuyển đổi của tiền chất thấp nên thường cần nhiều chu kỳ để cải thiện mật độ.
(5) Xâm nhập hơi hóa học (CVI)
CVI là một quá trình tương đối nhẹ nhàng; ở nhiệt độ thẩm thấu thấp, các hạt kim cương vẫn ổn định và tránh được hiện tượng grafit hóa. So với các kỹ thuật khác, pha silicon cacbua có nguồn gốc từ sự lắng đọng hơi hóa học trên bề mặt vật liệu, do đó pha silicon có thể được loại bỏ hoàn toàn trong quá trình CVI. Vật liệu tổng hợp được điều chế bằng phương pháp này có mật độ tương đối thấp và thường được sử dụng để sản xuất các mẫu dạng tấm mỏng.
(6) Xâm nhập phản ứng (RI)
RI là một quá trình cô đặc trong đó chất rắn được nấu chảy bằng cách nung nóng và thấm vào phôi đã chuẩn bị sẵn. Tùy thuộc vào độ ẩm giữa chất gia cố và nền, có thể sử dụng phương pháp thấm có hỗ trợ áp suất hoặc không áp suất.
Trong quy trình này, các hạt kim cương và bột than chì được trộn đều, với nhựa được sử dụng làm chất kết dính, sau đó được ép lạnh hoặc ép nóng để tạo thành phôi. Sau đó, phôi được xử lý bằng phương pháp gỡ rối và nhiệt phân để cacbon hóa hoàn toàn chất kết dính và tăng độ xốp của phôi. Cuối cùng, quá trình thẩm thấu silicon được thực hiện bằng cách nung nóng trong chân không hoặc môi trường trơ. Trong quá trình thẩm thấu, silic lỏng phản ứng với cacbon nhiệt phân và bột than chì được thêm vào để tạo thành cacbua silic. Sau khi phản ứng cacbon hoàn tất, các lỗ còn lại trong phôi được lấp đầy bằng silicon lỏng, tạo thành hỗn hợp kim cương/silicon cacbua đậm đặc. So với các quy trình khác, RI không yêu cầu quy trình phức tạp hoặc thiết bị đắt tiền; quy trình này đơn giản nhưng vẫn cho phép tạo hình composite gần dạng lưới.