Apabila litar bersepadu dalam peranti elektronik menjadi semakin kompleks dan saiz cip terus mengecil, pengumpulan haba yang berlebihan semasa operasi merendahkan prestasi peranti malah boleh menyebabkan litar pintas dan kegagalan lain. Untuk memastikan pengendalian peralatan elektronik yang stabil, selamat dan cekap, pembangunan bahan pembungkusan dengan kekonduksian haba yang tinggi, pekali pengembangan haba yang rendah, ketumpatan rendah dan kekuatan lenturan yang sangat baik telah menjadi tumpuan penyelidikan.
01 Berlian/Silikon Karbida: Gabungan Berkuasa untuk Pengurusan Terma
Berlian mempunyai kekonduksian terma tertinggi daripada mana-mana bahan semulajadi yang diketahui manusia, digabungkan dengan pekali pengembangan haba yang rendah, kekuatan dan kekerasan yang tinggi, dan kestabilan kimia yang sangat baik, menjadikannya bahan pengurusan haba yang ideal. Silikon karbida juga mempunyai pekali pengembangan haba yang rendah dan kekonduksian terma yang unggul. Dengan menggabungkan berlian sebagai fasa pengukuhan ke dalam silikon karbida, komposit berlian/silikon karbida dengan pekali pengembangan terma boleh tala dan kekonduksian terma yang tinggi boleh dicapai. Berbanding dengan komposit matriks logam bertetulang berlian-, berlian dan karbida silikon mempunyai struktur yang serupa, dan padanan kebolehbasahan dan pengembangan termanya jauh lebih baik berbanding antara logam dan berlian.
02 Proses Fabrikasi untuk Komposit Berlian/Silikon Karbida
Berlian terdedah kepada grafitisasi pada suhu tinggi; grafit yang terhasil mempunyai kekonduksian terma dan kekuatan lentur yang jauh lebih rendah daripada berlian. Untuk berjaya mengarang komposit berlian/silikon karbida, kawalan berkesan terhadap grafit berlian adalah penting. Memandangkan matriks silikon karbida tidak boleh menyusup terus ke dalam bentuk berlian, matriks silikon karbida biasanya diperoleh melalui tindak balas silikon-karbon. Proses fabrikasi utama untuk komposit berlian/silikon karbida adalah kira-kira seperti berikut.
(1) Pensinteran Suhu Tinggi Tekanan Tinggi (HPHT).
Dalam kaedah HPHT, serbuk mikro berlian dan serbuk silikon tulen dicampur dengan teliti dan kemudian tertakluk kepada suhu tinggi dan tekanan tinggi untuk menjalani tindak balas in-situ membentuk silikon karbida, akhirnya menghasilkan komposit berlian/silikon karbida. Kelebihan kaedah ini ialah di bawah keadaan tekanan tinggi, berlian tidak mengalami grafisasi yang ketara, dan jurang antara zarah berlian boleh dikurangkan dengan berkesan, menghasilkan komposit dengan pecahan volum berlian tinggi dan ketumpatan tinggi. Walau bagaimanapun, proses tekanan tinggi memerlukan peralatan yang mahal dan mengenakan had yang ketara pada bentuk komposit yang direka.
(2) Pensinteran Plasma Percikan (SPS)
SPS adalah serupa dengan HPHT kerana ia mensinter dan memadatkan prabentuk di bawah suhu dan tekanan tinggi. Perbezaannya terletak pada SPS menggunakan percikan elektrik bertenaga tinggi untuk menjana nyahcas serta-merta antara zarah serbuk, menghasilkan plasma suhu tinggi yang membebaskan sejumlah besar haba. Oleh itu, SPS menampilkan kadar pemanasan yang cepat dan masa pensinteran yang singkat. Selain itu, tekanan pensinteran dalam SPS adalah lebih rendah daripada tekanan dalam HPHT.
(3) Penekanan Isostatik Panas (HIP)
Dalam proses HIP, serbuk berlian dan silikon diletakkan di dalam bekas tertutup dan tertakluk kepada tekanan yang sama dari semua arah, manakala pensinteran dan penumpuan diselesaikan pada suhu tinggi. HIP biasanya beroperasi pada tekanan dalam julat beberapa ratus megapascal. Kelebihannya termasuk tekanan pensinteran yang lebih rendah dan keupayaan untuk menghasilkan volum yang lebih besar dan sampel berbentuk kompleks. Walau bagaimanapun, prosesnya rumit dan mempunyai kecekapan pengeluaran yang rendah.
(4) Penyusupan Prekursor dan Pirolisis (PIP)
Kaedah PIP menggunakan prekursor silikon karbida (polycarbosilane) yang dipanaskan dan dipirolisis untuk membentuk silikon karbida, yang kemudiannya berfungsi sebagai matriks yang mengikat zarah berlian bersama-sama. Kelebihan proses ini ialah suhu pensinteran yang rendah, keupayaan untuk sampel berskala besar atau berbentuk kompleks, dan tiada baki silikon dalam komposit. Walau bagaimanapun, disebabkan hasil penukaran yang rendah bagi prekursor, berbilang kitaran sering diperlukan untuk meningkatkan ketumpatan.
(5) Penyusupan Wap Kimia (CVI)
CVI adalah proses yang agak ringan; pada suhu penyusupan rendah, zarah berlian kekal stabil dan grafitisasi dielakkan. Berbanding dengan teknik lain, fasa silikon karbida diperoleh daripada pemendapan wap kimia pada permukaan bahan, jadi fasa silikon boleh dihapuskan sepenuhnya semasa proses CVI. Komposit yang disediakan melalui kaedah ini mempunyai ketumpatan yang agak rendah dan biasanya digunakan untuk menghasilkan sampel kepingan nipis.
(6) Penyusupan Reaktif (RI)
RI ialah proses ketumpatan di mana pepejal dicairkan dengan pemanasan dan menyusup ke dalam prabentuk yang disediakan. Bergantung pada kebolehbasahan antara tetulang dan matriks, sama ada penyusupan berbantukan tekanan atau tanpa tekanan boleh digunakan.
Dalam proses ini, zarah berlian dan serbuk grafit dicampur secara seragam, dengan resin digunakan sebagai pengikat, dan kemudian ditekan sejuk atau ditekan panas untuk membentuk prabentuk. Prabentuk kemudiannya tertakluk kepada penyahikatan dan pirolisis untuk mengkarbonatkan sepenuhnya pengikat dan meningkatkan keliangan prabentuk. Akhirnya, penyusupan silikon dilakukan dengan memanaskan dalam vakum atau suasana lengai. Semasa penyusupan, silikon cecair bertindak balas dengan karbon pirolitik dan serbuk grafit tambahan untuk membentuk silikon karbida. Selepas tindak balas karbon selesai, liang-liang yang tinggal dalam prabentuk diisi dengan silikon cecair, menghasilkan komposit berlian/silikon karbida yang padat. Berbanding dengan proses lain, RI tidak memerlukan prosedur yang kompleks atau peralatan mahal; prosesnya mudah tetapi membolehkan pembentukan komposit berbentuk hampir bersih.