À medida que os circuitos integrados em dispositivos eletrônicos se tornam cada vez mais complexos e os tamanhos dos chips continuam a diminuir, o acúmulo excessivo de calor durante a operação degrada o desempenho do dispositivo e pode até causar curtos-circuitos e outras falhas. Para garantir a operação estável, segura e eficiente de equipamentos eletrônicos, o desenvolvimento de materiais de embalagem com alta condutividade térmica, baixo coeficiente de expansão térmica, baixa densidade e excelente resistência à flexão tornou-se um foco de pesquisa.
01 Diamante/carboneto de silício: uma combinação poderosa para gerenciamento térmico
O diamante tem a maior condutividade térmica de qualquer material natural conhecido pelo homem, combinado com um baixo coeficiente de expansão térmica, alta resistência e dureza e excelente estabilidade química, tornando-o um material ideal para gerenciamento térmico. O carboneto de silício também possui baixo coeficiente de expansão térmica e condutividade térmica superior. Ao incorporar o diamante como fase de reforço no carboneto de silício, podem ser alcançados compósitos de diamante/carboneto de silício com coeficientes de expansão térmica ajustáveis e alta condutividade térmica. Em comparação com os compósitos de matriz metálica reforçada-com diamante, o diamante e o carboneto de silício têm estruturas semelhantes, e sua molhabilidade e expansão térmica são muito melhores do que aquelas entre metais e diamante.
02 Processos de Fabricação para Compósitos de Diamante/Carbeto de Silício
O diamante é propenso à grafitização em altas temperaturas; a grafite resultante tem condutividade térmica e resistência à flexão significativamente mais baixas do que o diamante. Para fabricar com sucesso compósitos de diamante/carboneto de silício, o controle eficaz da grafitização do diamante é essencial. Como a matriz de carboneto de silício não pode ser infiltrada diretamente em uma pré-forma de diamante, a matriz de carboneto de silício é normalmente obtida através de reações silício-carbono. Os principais processos de fabricação de compósitos de diamante/carboneto de silício são aproximadamente os seguintes.
(1) Sinterização de alta pressão e alta temperatura (HPHT)
No método HPHT, o micropó de diamante e o pó de silício puro são completamente misturados e depois submetidos a alta temperatura e alta pressão para sofrer uma reação in situ formando carboneto de silício, resultando em compósitos de diamante/carboneto de silício. A vantagem deste método é que, sob condições de alta pressão, o diamante não sofre grafitização significativa e as lacunas entre as partículas de diamante podem ser efetivamente reduzidas, produzindo compósitos com alta fração volumétrica de diamante e alta densidade. No entanto, o processo de alta pressão exige equipamentos caros e impõe limitações significativas na forma dos compósitos fabricados.
(2) Sinterização por Plasma de Faísca (SPS)
O SPS é semelhante ao HPHT porque sinteriza e densifica a pré-forma sob alta temperatura e pressão. A diferença está no fato de que o SPS utiliza faíscas elétricas de alta energia para gerar descarga instantânea entre as partículas de pó, produzindo plasma de alta temperatura que libera uma grande quantidade de calor. Portanto, o SPS apresenta taxas de aquecimento rápidas e tempos de sinterização curtos. Além disso, a pressão de sinterização no SPS é menor que a do HPHT.
(3) Prensagem Isostática a Quente (HIP)
No processo HIP, os pós de diamante e silício são colocados em um recipiente selado e submetidos a pressões iguais em todas as direções, enquanto a sinterização e a densificação são concluídas em temperaturas elevadas. O HIP normalmente opera em pressões na faixa de várias centenas de megapascais. Suas vantagens incluem menor pressão de sinterização e capacidade de produzir volumes maiores e amostras de formatos complexos. Porém, o processo é complicado e apresenta baixa eficiência de produção.
(4) Infiltração e Pirólise de Precursores (PIP)
O método PIP usa um precursor de carboneto de silício (policarbossilano) que é aquecido e pirolisado para formar carboneto de silício, que serve então como matriz que une as partículas de diamante. As vantagens desse processo são a baixa temperatura de sinterização, a capacidade de amostras em grande escala ou de formatos complexos e a ausência de silício residual no compósito. No entanto, devido ao baixo rendimento de conversão do precursor, são frequentemente necessários múltiplos ciclos para melhorar a densidade.
(5) Infiltração de Vapor Químico (CVI)
A IVC é um processo relativamente leve; nas baixas temperaturas de infiltração, as partículas de diamante permanecem estáveis e a grafitização é evitada. Em comparação com outras técnicas, a fase de carboneto de silício é derivada da deposição química de vapor na superfície do material, de modo que a fase de silício pode ser completamente eliminada durante o processo CVI. Os compósitos preparados por este método têm densidade relativamente baixa e são normalmente usados para produzir amostras de folhas finas.
(6) Infiltração Reativa (RI)
RI é um processo de densificação no qual um sólido é derretido por aquecimento e infiltrado em uma pré-forma preparada. Dependendo da molhabilidade entre o reforço e a matriz, pode ser utilizada infiltração assistida por pressão ou sem pressão.
Neste processo, as partículas de diamante e o pó de grafite são misturados uniformemente, com a resina usada como aglutinante, e depois prensados a frio ou a quente para formar uma pré-forma. A pré-forma é então submetida a desligação e pirólise para carbonizar completamente o ligante e aumentar a porosidade da pré-forma. Finalmente, a infiltração de silício é realizada por aquecimento no vácuo ou em atmosfera inerte. Durante a infiltração, o silício líquido reage com o carbono pirolítico e o pó de grafite adicionado para formar carboneto de silício. Após a reação do carbono ser concluída, os poros restantes na pré-forma são preenchidos com silício líquido, resultando em um compósito denso de diamante/carboneto de silício. Comparado com outros processos, o RI não requer procedimentos complexos ou equipamentos caros; o processo é simples, mas permite a formação quase perfeita do compósito.