Diamant-Siliziumkarbid: eine hochleistungsfähige Partnerschaft für die thermische Bewirtschaftung

Da elektronische Geräte zunehmend integriert werden, schrumpfen Halbleiterkomponenten weiter, während ihre Leistungsdichte steigt.Übermäßige Wärmeansammlung kann die Leistung des Geräts beeinträchtigen, beschleunigen den Materialabbau und tragen in schweren Fällen zu elektrischen Ausfällen bei.

Daher konzentrieren sich die Forscher auf fortschrittliche Verpackungs- und Wärmeverwaltungsmaterialien, diehohe Wärmeleitfähigkeit, geringe thermische Expansion, geringe Dichte und ausgezeichnete mechanische FestigkeitUnter den untersuchten Materialien haben Diamanten und Siliziumcarbid (SiC) besondere Aufmerksamkeit erregt.

01Diamant-Siliziumkarbid: Kombination zweier hochleistungsfähiger Materialien

Diamant ist weithin als eines der Materialien mit der höchsten Wärmeleitfähigkeit anerkannt und bietet gleichzeitig einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten, außergewöhnliche Härte und Festigkeit.und ausgezeichnete chemische StabilitätDiese Eigenschaften machen Diamanten für fortschrittliche thermische Anwendungen sehr attraktiv.

Siliziumkarbid bietet auch eine Kombination aus hoher Wärmeleitfähigkeit, geringer thermischer Expansion, hoher mechanischer Festigkeit und ausgezeichneter chemischer Stabilität.Durch die Einbeziehung von Diamanten als Verstärkungsphase in eine SiC-Matrix, können IngenieureDiamant-/Siliziumkarbid-Verbundwerkstoffemit kontrollierbarer thermischer Ausdehnung und hervorragender Wärmeverteilung.

Im Vergleich zu mit Diamanten verstärkten Metallmatrixverbundwerkstoffen bieten Diamant/SiC-Systeme Vorteile in Bezug auf die Materialkompatibilität.Diamant und SiC haben vergleichsweise ähnliche strukturelle und thermische Eigenschaften, während ihre Schnittstelle eine bessere Kompatibilität bieten kann als die zwischen Diamant und vielen metallischen Matrizen.Dies macht das Diamant/SiC-System besonders interessant für Anwendungen, bei denen sowohl thermische Leistung als auch Dimensionsstabilität wichtig sind.

02Wie werden Diamant-/Siliziumkarbid-Verbundwerkstoffe hergestellt?

Eine der wichtigsten Herausforderungen bei der Herstellung von Diamant-SiC-Verbundwerkstoffen ist die Kontrolle der thermischen Stabilität von Diamanten.

Bei übermäßig hohen Temperaturen kann Diamant eine Graphitisierung durchlaufen und sich in Graphit verwandeln.Graphit hat im Allgemeinen eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit und mechanische FestigkeitDaher müssen bei der Herstellung Temperatur, Druck, Reaktionszeit und Materialzusammensetzung sorgfältig ausgeglichen werden.

Da die SiC-Matrix eine dichte Diamantvorform nicht einfach durchdringen kann, wird SiC üblicherweise durch Reaktionen mit Silizium und Kohlenstoff erzeugt.,In den meisten Fällen ist es nicht möglich, die Produktion zu erweitern.

1. Hochdruck-Hochtemperatur-Sinterung

Bei der Hochdruck-Hochtemperatur-Verarbeitung (HPHT) wird Diamantpulver mit Siliziumpulver gemischt und dem Gemisch eine erhöhte Temperatur und Druck ausgesetzt.Silizium reagiert mit Kohlenstoff und bildet Siliziumkarbid, wodurch ein dichtes Diamant/SiC-Verbundwerkzeug hergestellt wird.

Ein großer Vorteil der HPHT-Verarbeitung besteht darin, dass die Hochdruckumgebung hilft, übermäßige Graphitisation von Diamanten zu unterdrücken.die die Herstellung von Verbundwerkstoffen mithohe Diamantvolumenfraktionen und hohe Dichte.

HPHT erfordert jedoch spezielle Geräte, die hohen Druck und hohe Temperatur aufrechterhalten können.während die erreichbare Bauteilgeometrie begrenzt sein kann.

2. Spark Plasma Sintern

Das Spark Plasma Sintering (SPS) ist eine andere Druckunterstützte Verdichtungstechnik.Erzeugung lokaler Heiz- und Plasmaeffekte.

Im Vergleich zur herkömmlichen Hochdruck-/Hochtemperaturverarbeitung bietet SPS eineschnelle Erwärmungsrate und relativ kurzer SinterzyklusDer erforderliche Druck kann auch niedriger sein als bei einigen HPHT-Prozessen.

Diese Eigenschaften machen SPS attraktiv, wenn die Bearbeitungszeit und die Temperaturkontrolle wichtig sind.

3. Heißes isostatisches Pressen

Mit dem heißen isostatischen Pressen (HIP) werden Diamant- und Silizium-haltige Pulver in einen versiegelten Behälter gebracht und gleichmäßig aus mehreren Richtungen gedrückt, während gleichzeitig das Material erhitzt wird.

HIP arbeitet typischerweise bei Druck in den Hunderten von Megapascals.Die Technik kann zur Herstellung relativ großer oder geometrisch komplexer Bauteile mit guter Verdichtung verwendet werden..

Zu den Nachteilen gehören ein relativ kompliziertes Verfahren, spezialisierte Ausrüstung und eine vergleichsweise geringe Produktionseffizienz.

4. Polymer-Infiltration und Pyrolyse

Bei der Polymer-Infiltration und Pyrolyse (PIP) wird ein Siliziumkarbid-Vorläufer wie Polycarbosilan als Quelle der SiC-Matrix verwendet.

Während der Erwärmung zerfällt der Vorläufer und wird in Siliziumkarbid umgewandelt.

PIP bietet mehrere Vorteile, darunter eine relativ niedrige Verarbeitungstemperatur und die Fähigkeit, große oder komplex geformte Bauteile herzustellen.Es kann auch das Vorhandensein von Restfreiem Silizium im endgültigen Verbundwerkstoff verringern.

Allerdings ist die Konversion von Vorprodukten in einem einzigen Zyklus in der Regel unvollständig, weshalb mehrere Infiltrations- und Pyrolysezyklen erforderlich sein können, um die Dichte zu erhöhen und die Restporosität zu reduzieren.

5Chemische Dampfinfiltration

Chemische Dampfinfiltration (CVI) ist eine relativ sanfte Verarbeitungsmethode, bei der Siliziumkarbid aus einem gasförmigen Vorläufer auf und zwischen den Diamantpartikeln abgelagert wird.

Da die Infiltrationstemperatur gesteuert werden kann, um die Stabilität des Diamanten zu erhalten, kann CVI dazu beitragen, das Risiko einer Graphitisation zu verringern.Die SiC-Phase wird durch Dampf-Phase-Ablagerung statt durch flüssiges Silizium-Infiltration eingeführt., wodurch freies Silizium minimiert oder eliminiert werden kann.

Die Hauptbeschränkung besteht darin, dass CVI in der Regel Verbundwerkstoffe mit niedrigerer Dichte und relativ langsamer Verarbeitungsgeschwindigkeit herstellt.

6Reaktive Infiltration

Reaktive Infiltration (RI), auch als Silizium-Schmelzinfiltration in relevanten Systemen bekannt, ist ein Verdichtungsprozess, bei dem geschmolzenes Silizium in eine vorbereitete poröse Vorform eindringt.

Abhängig von den Befeuchtungseigenschaften zwischen der Verstärkung und der Matrix kann entweder Druckunterstützte oder Drucklose Infiltration verwendet werden.

Ein typischer Prozess beginnt damit, Diamantpartikel gleichmäßig mit Graphitpulver und einem Harzbindemittel zu mischen.

Nach der Formung wird die Vorform der Entbindung und Pyrolyse unterzogen.

Die Vorform wird dann im Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre erhitzt, damit geschmolzenes Silizium in die poröse Struktur eindringen kann.Das flüssige Silizium reagiert mit pyrolytischem Kohlenstoff und Graphit und bildet Siliziumkarbid.Nach Abschluss der Kohlenstoff-Silizium-Reaktion werden die verbleibenden Poren mit Silizium gefüllt, wodurch ein dichter Diamant-SiC-Verbundwerkstoff entsteht.

Im Vergleich zu mehreren anderen fortschrittlichen Fertigungstechniken bietet die Reaktionsinfiltration einen relativ einfachen Prozess und erfordert nicht unbedingt extrem komplexe oder teure Geräte.Ein weiterer wichtiger Vorteil besteht in der Fähigkeit, Bauteile zu produzieren,in der Nähe ihrer endgültigen Abmessungen, wodurch die erforderliche Menge an anschließender Bearbeitung verringert wird.

03Warum Diamant/SiC für eine fortgeschrittene thermische Verwaltung wichtig ist

Die Kombination aus Diamant und Siliziumkarbid bringt mehrere Eigenschaften zusammen, die für moderne elektronische Verpackungen sehr wünschenswert sind: effiziente Wärmeübertragung, kontrollierte thermische Ausdehnung,hohe mechanische Festigkeit, und chemische Stabilität.

Da die Leistungsdichte von Halbleitern weiter steigt, haben Diamant-SiC-Verbundwerkstoffe Potenzial für Anwendungen wiefortgeschrittene elektronische Verpackungen, leistungsstarke Halbleitermodule, HF-Geräte, Lasersysteme und andere hitzeempfindliche Bauteile.

Die Wahl einer geeigneten Herstellungsmethode hängt letztlich von der erforderlichen Wärmeleitfähigkeit, dem Diamantgehalt, der Dichte, der Komponentengeometrie, der Maßgenauigkeit und dem Produktionsvolumen ab.