ככל שמעגלים משולבים במכשירים אלקטרוניים הופכים מורכבים יותר ויותר וגדלי השבבים ממשיכים להתכווץ, הצטברות חום מוגזמת במהלך הפעולה פוגעת בביצועי המכשיר ואף עלולה לגרום לקצרים ולכשלים אחרים. כדי להבטיח פעולה יציבה, בטוחה ויעילה של ציוד אלקטרוני, פיתוח חומרי אריזה בעלי מוליכות תרמית גבוהה, מקדם התפשטות תרמית נמוך, צפיפות נמוכה וחוזק כיפוף מעולה הפך למוקד מחקר.
01 יהלום/סיליקון קרביד: שילוב רב עוצמה לניהול תרמי
ליהלום יש מוליכות תרמית הגבוהה ביותר מכל חומר טבעי המוכר לאדם, בשילוב עם מקדם התפשטות תרמית נמוך, חוזק וקשיות גבוהים ויציבות כימית מצוינת, מה שהופך אותו לחומר ניהול תרמי אידיאלי. לסיליקון קרביד יש גם מקדם התפשטות תרמית נמוך ומוליכות תרמית מעולה. על ידי שילוב יהלום כשלב חיזוק בסיליקון קרביד, ניתן להשיג מרוכבים של יהלום/סיליקון קרביד עם מקדמי התפשטות תרמית ניתנים לכוונון ומוליכות תרמית גבוהה. בהשוואה לחומרי מטריצת מתכת מחוזקים ביהלומים-, ליהלום ולסיליקון קרביד יש מבנים דומים, והתאמה בין הרטיבות וההתפשטות התרמית שלהם טובים בהרבה מאלו שבין מתכות ליהלום.
02 תהליכי ייצור עבור יהלומים/סיליקון קרביד מרוכבים
יהלום נוטה לגרפיטיזציה בטמפרטורות גבוהות; לגרפיט שהתקבל יש מוליכות תרמית וחוזק כיפוף נמוכים משמעותית מאשר ליהלום. כדי לייצר בהצלחה חומרי יהלום/סיליקון קרביד, שליטה יעילה בגרפיטיזציה של יהלומים היא חיונית. מכיוון שלא ניתן להחדיר ישירות למטריצת סיליקון קרביד לתוך תבנית יהלום, מטריצת הסיליקון קרביד מתקבלת בדרך כלל באמצעות תגובות סיליקון-פחמן. תהליכי הייצור העיקריים של יהלומים/סיליקון קרביד מרוכבים הם בערך כדלקמן.
(1) סינטרינג בלחץ גבוה בטמפרטורה גבוהה (HPHT).
בשיטת HPHT, מיקרו-אבקת יהלומים ואבקת סיליקון טהורה מעורבבים ביסודיות ולאחר מכן נתונים לטמפרטורה גבוהה וללחץ גבוה כדי לעבור תגובה באתר היוצרת סיליקון קרביד, ובסופו של דבר מניבים חומרים מרוכבים של יהלום/סיליקון קרביד. היתרון של שיטה זו הוא שבתנאי לחץ גבוה, היהלום אינו עובר גרפיטיזציה משמעותית, וניתן לצמצם ביעילות את הפערים בין חלקיקי היהלומים, תוך יצירת חומרים מרוכבים בעלי שבר נפח יהלום גבוה וצפיפות גבוהה. עם זאת, תהליך הלחץ הגבוה דורש ציוד יקר ומטיל מגבלות משמעותיות על צורת החומרים המרוכבים המיוצרים.
(2) Spark Plasma Sintering (SPS)
SPS דומה ל-HPHT בכך שהוא חוטא ודוחף את הפרפורם בטמפרטורה ולחץ גבוהים. ההבדל טמון בכך ש-SPS משתמש בניצוצות חשמליים בעלי אנרגיה גבוהה כדי ליצור פריקה מיידית בין חלקיקי אבקה, לייצור פלזמה בטמפרטורה גבוהה המשחררת כמות גדולה של חום. לכן, SPS כולל קצבי חימום מהירים וזמני סינטר קצרים. בנוסף, לחץ הסינטרינג ב-SPS נמוך מזה שב-HPHT.
(3) לחיצה איזוסטטית חמה (HIP)
בתהליך HIP, אבקות יהלומים וסיליקון מונחות במיכל אטום ומופעלות בלחץ שווה מכל הכיוונים, תוך השלמת סינטר וציפוף בטמפרטורות גבוהות. HIP פועלת בדרך כלל בלחצים בטווח של כמה מאות מגה-פסקל. היתרונות שלו כוללים לחץ סינטר נמוך יותר והיכולת לייצר נפחים גדולים יותר ודגימות בצורת מורכבות. עם זאת, התהליך מסובך ובעל יעילות ייצור נמוכה.
(4) חדירת מבשר ופירוליזה (PIP)
שיטת ה-PIP משתמשת במבשר סיליקון קרביד (פוליקרבוסילאן) שמחומם ומעבירים לפירוליזה ליצירת סיליקון קרביד, המשמש לאחר מכן כמטריצה הקושרת את חלקיקי היהלום יחד. היתרונות של תהליך זה הם טמפרטורת סינטר נמוכה, יכולת לדגימות בקנה מידה גדול או מורכב, וללא שיורי סיליקון בחומר המרוכב. עם זאת, בשל תפוקת ההמרה הנמוכה של המבשר, לעתים קרובות נדרשים מחזורים מרובים כדי לשפר את הצפיפות.
(5) חדירת אדים כימיים (CVI)
CVI הוא תהליך מתון יחסית; בטמפרטורות החדירה הנמוכות, חלקיקי היהלומים נשארים יציבים ונמנעת גרפיטיזציה. בהשוואה לטכניקות אחרות, שלב הסיליקון קרביד נגזר משקיעת אדים כימית על פני החומר, כך שניתן לסלק לחלוטין את שלב הסיליקון במהלך תהליך CVI. לחומרים מרוכבים שהוכנו בשיטה זו יש צפיפות נמוכה יחסית והם משמשים בדרך כלל להפקת דגימות של גיליון דק.
(6) הסתננות תגובתית (RI)
RI הוא תהליך דחיסות שבו מוצק מומס על ידי חימום ומחדיר אותו לפרפורם מוכן. בהתאם ליכולת ההרטבה בין החיזוק למטריצה, ניתן להשתמש בהסתננות בעזרת לחץ או ללא לחץ.
בתהליך זה, חלקיקי יהלום ואבקת גרפיט מעורבבים באופן אחיד, עם שרף המשמש כחומר מקשר, ולאחר מכן נדחסים בכבישה קרה או בכבישה חמה ליצירת פרפורם. לאחר מכן ה-preform נתון ל-debinding ו-pyrolysis כדי לפחמם לחלוטין את הקושר ולהגדיל את נקבוביות ה-preform. לבסוף, חדירת סיליקון מתבצעת על ידי חימום בוואקום או באווירה אינרטית. במהלך החדירה, סיליקון נוזלי מגיב עם הפחמן הפירוליטי ועם אבקת הגרפיט הנוספת ליצירת סיליקון קרביד. לאחר השלמת תגובת הפחמן, הנקבוביות הנותרות בפרפורם ממולאות בסיליקון נוזלי, וכתוצאה מכך נוצר מרוכב יהלום/סיליקון קרביד צפוף. בהשוואה לתהליכים אחרים, RI אינו דורש הליכים מורכבים או ציוד יקר; התהליך פשוט אך מאפשר יצירת צורה כמעט נטו של המרוכב.