เนื่องจากวงจรรวมในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีความซับซ้อนมากขึ้นและขนาดชิปยังคงหดตัว การสะสมความร้อนที่มากเกินไประหว่างการทำงานจะทำให้ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ลดลง และอาจทำให้เกิดการลัดวงจรและความล้มเหลวอื่นๆ ได้ เพื่อให้มั่นใจว่าการทำงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีเสถียรภาพ ปลอดภัย และมีประสิทธิภาพ การพัฒนาวัสดุบรรจุภัณฑ์ที่มีค่าการนำความร้อนสูง ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ ความหนาแน่นต่ำ และความแข็งแรงดัดงอที่ดีเยี่ยมจึงกลายเป็นจุดสนใจในการวิจัย
01 ไดมอนด์/ซิลิคอน คาร์ไบด์: การผสมผสานอันทรงพลังสำหรับการจัดการระบายความร้อน
เพชรมีค่าการนำความร้อนสูงที่สุดเมื่อเทียบกับวัสดุที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติที่มนุษย์รู้จัก รวมกับค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ ความแข็งแรงและความแข็งสูง และความเสถียรทางเคมีที่ดีเยี่ยม ทำให้เป็นวัสดุการจัดการความร้อนในอุดมคติ ซิลิคอนคาร์ไบด์ยังมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำและมีค่าการนำความร้อนที่เหนือกว่า ด้วยการรวมเพชรเป็นขั้นตอนการเสริมแรงในซิลิคอนคาร์ไบด์ ทำให้สามารถบรรลุคอมโพสิตเพชร/ซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่ปรับได้และการนำความร้อนสูง เมื่อเปรียบเทียบกับคอมโพสิตเมทริกซ์โลหะเสริมเพชร- เพชรและซิลิคอนคาร์ไบด์มีโครงสร้างที่คล้ายคลึงกัน และความสามารถในการเปียกน้ำและการจับคู่การขยายตัวทางความร้อนได้ดีกว่าวัสดุระหว่างโลหะกับเพชรมาก
02 กระบวนการผลิตสำหรับคอมโพสิตเพชร/ซิลิคอนคาร์ไบด์
เพชรมีแนวโน้มที่จะเกิดกราไฟท์ที่อุณหภูมิสูง กราไฟท์ที่ได้จะมีค่าการนำความร้อนและความต้านทานแรงดัดงอต่ำกว่าเพชรอย่างมาก หากต้องการสร้างคอมโพสิตเพชร/ซิลิคอนคาร์ไบด์ให้ประสบความสำเร็จ การควบคุมการสร้างกราฟเพชรของเพชรอย่างมีประสิทธิภาพถือเป็นสิ่งสำคัญ เนื่องจากเมทริกซ์ซิลิคอนคาร์ไบด์ไม่สามารถแทรกซึมเข้าไปในผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูปขั้นต้นของเพชรได้โดยตรง โดยทั่วไปแล้วเมทริกซ์ซิลิกอนคาร์ไบด์จึงได้มาจากปฏิกิริยาซิลิคอนคาร์บอน กระบวนการผลิตหลักสำหรับคอมโพสิตเพชร/ซิลิคอนคาร์ไบด์มีดังนี้
(1) การเผาผนึกแรงดันสูงที่อุณหภูมิสูง (HPHT)
ในวิธี HPHT ผงไมโครเพชรและผงซิลิกอนบริสุทธิ์จะถูกผสมให้เข้ากัน จากนั้นนำไปผ่านอุณหภูมิสูงและความดันสูงเพื่อเกิดปฏิกิริยาในแหล่งกำเนิดซึ่งก่อตัวเป็นซิลิคอนคาร์ไบด์ จนได้คอมโพสิตเพชร/ซิลิคอนคาร์ไบด์ในที่สุด ข้อดีของวิธีนี้คือภายใต้สภาวะแรงดันสูง เพชรจะไม่เกิดกราฟิไทเซชันที่มีนัยสำคัญ และสามารถลดช่องว่างระหว่างอนุภาคเพชรได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้เกิดคอมโพสิตที่มีเศษส่วนปริมาตรเพชรสูงและมีความหนาแน่นสูง อย่างไรก็ตาม กระบวนการแรงดันสูงต้องใช้อุปกรณ์ราคาแพง และกำหนดข้อจำกัดที่สำคัญเกี่ยวกับรูปร่างของวัสดุคอมโพสิตที่ประดิษฐ์ขึ้น
(2) การเผาผนึกด้วยประกายไฟพลาสมา (SPS)
SPS นั้นคล้ายคลึงกับ HPHT ตรงที่มันจะเผาและทำให้ผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูปขั้นต้นหนาแน่นภายใต้อุณหภูมิและความดันสูง ความแตกต่างอยู่ที่ว่า SPS ใช้ประกายไฟพลังงานสูงเพื่อสร้างการคายประจุทันทีระหว่างอนุภาคผง ทำให้เกิดพลาสมาอุณหภูมิสูงที่ปล่อยความร้อนจำนวนมากออกมา ดังนั้น SPS จึงมีอัตราการทำความร้อนที่รวดเร็วและเวลาในการเผาผนึกที่สั้น นอกจากนี้ ความดันการเผาผนึกใน SPS ยังต่ำกว่าความดันใน HPHT
(3) การกดไอโซสแตติกแบบร้อน (HIP)
ในกระบวนการ HIP ผงเพชรและซิลิกอนจะถูกใส่ในภาชนะที่ปิดสนิทและอยู่ภายใต้แรงกดดันเท่ากันจากทุกทิศทาง ในขณะที่การเผาผนึกและการทำให้หนาแน่นจะเสร็จสิ้นที่อุณหภูมิที่สูงขึ้น โดยทั่วไป HIP จะทำงานที่แรงกดดันในช่วงหลายร้อยเมกะปาสคาล ข้อดีของผลิตภัณฑ์ ได้แก่ แรงดันในการเผาผนึกที่ต่ำกว่า และความสามารถในการผลิตตัวอย่างที่มีปริมาตรมากขึ้นและตัวอย่างที่มีรูปร่างซับซ้อนมากขึ้น อย่างไรก็ตามกระบวนการมีความซับซ้อนและประสิทธิภาพการผลิตต่ำ
(4) สารตั้งต้นการแทรกซึมและไพโรไลซิส (PIP)
วิธี PIP ใช้สารตั้งต้นของซิลิคอนคาร์ไบด์ (โพลีคาร์โบซิเลน) ที่ถูกให้ความร้อนและไพโรไลซ์เพื่อสร้างซิลิคอนคาร์ไบด์ ซึ่งจากนั้นจะทำหน้าที่เป็นเมทริกซ์ที่ยึดอนุภาคเพชรเข้าด้วยกัน ข้อดีของกระบวนการนี้คือ อุณหภูมิการเผาผนึกต่ำ ความสามารถในการสร้างตัวอย่างขนาดใหญ่หรือมีรูปร่างซับซ้อน และไม่มีซิลิคอนตกค้างในคอมโพสิต อย่างไรก็ตาม เนื่องจากสารตั้งต้นให้ผลผลิตการแปลงต่ำ จึงมักต้องใช้หลายรอบเพื่อปรับปรุงความหนาแน่น
(5) การแทรกซึมไอสารเคมี (CVI)
CVI เป็นกระบวนการที่ค่อนข้างไม่ซับซ้อน ที่อุณหภูมิการแทรกซึมต่ำ อนุภาคเพชรจะยังคงเสถียรและหลีกเลี่ยงการสร้างกราฟ เมื่อเปรียบเทียบกับเทคนิคอื่นๆ เฟสซิลิคอนคาร์ไบด์ได้มาจากการสะสมไอสารเคมีบนพื้นผิวของวัสดุ จึงสามารถกำจัดเฟสซิลิกอนได้อย่างสมบูรณ์ในระหว่างกระบวนการ CVI คอมโพสิตที่เตรียมโดยวิธีนี้มีความหนาแน่นค่อนข้างต่ำ และโดยทั่วไปจะใช้สำหรับการผลิตตัวอย่างแบบแผ่นบาง
(6) การแทรกซึมปฏิกิริยา (RI)
RI คือกระบวนการเพิ่มความหนาแน่น โดยที่ของแข็งจะถูกหลอมโดยการให้ความร้อนและแทรกซึมเข้าไปในผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูปขั้นต้นที่เตรียมไว้ ขึ้นอยู่กับความสามารถในการเปียกน้ำระหว่างส่วนเสริมแรงและเมทริกซ์ สามารถใช้การแทรกซึมแบบใช้แรงดันหรือแบบไม่มีแรงดันได้
ในกระบวนการนี้ อนุภาคเพชรและผงกราไฟท์จะถูกผสมอย่างสม่ำเสมอ โดยใช้เรซินเป็นตัวประสาน จากนั้นจึงอัดเย็นหรืออัดร้อนเพื่อสร้างผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูปขั้นต้น จากนั้น ผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูปขั้นต้นจะถูกนำไปแยกส่วนและไพโรไลซิสเพื่อทำให้สารยึดเกาะเป็นคาร์บอนอย่างสมบูรณ์และเพิ่มความพรุนที่ผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูปขั้นต้น ในที่สุด การแทรกซึมของซิลิคอนจะดำเนินการโดยการให้ความร้อนในสุญญากาศหรือบรรยากาศเฉื่อย ในระหว่างการแทรกซึม ซิลิคอนเหลวจะทำปฏิกิริยากับคาร์บอนไพโรไลติกและผงกราไฟท์ที่เติมเข้าไปเพื่อสร้างซิลิคอนคาร์ไบด์ หลังจากปฏิกิริยาคาร์บอนเสร็จสมบูรณ์ รูพรุนที่เหลืออยู่ในผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูปขั้นต้นจะถูกเติมด้วยซิลิคอนเหลว ส่งผลให้มีคอมโพสิตเพชร/ซิลิคอนคาร์ไบด์หนาแน่น เมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการอื่นๆ RI ไม่ต้องการขั้นตอนที่ซับซ้อนหรืออุปกรณ์ราคาแพง กระบวนการนี้เรียบง่ายแต่ช่วยให้สามารถขึ้นรูปคอมโพสิตได้เกือบเป็นรูปร่างสุทธิ