مع تزايد تعقيد الدوائر المتكاملة في الأجهزة الإلكترونية واستمرار تقلص أحجام الشرائح، يؤدي تراكم الحرارة المفرط أثناء التشغيل إلى تدهور أداء الجهاز ويمكن أن يتسبب في حدوث دوائر قصيرة وحالات فشل أخرى. لضمان التشغيل المستقر والآمن والفعال للمعدات الإلكترونية، أصبح تطوير مواد التعبئة والتغليف ذات الموصلية الحرارية العالية، ومعامل التمدد الحراري المنخفض، والكثافة المنخفضة، وقوة الانحناء الممتازة محورًا للبحث.
01 كربيد الماس/السيليكون: مزيج قوي لإدارة الحرارة
يتمتع الماس بأعلى موصلية حرارية لأي مادة طبيعية معروفة للإنسان، بالإضافة إلى معامل تمدد حراري منخفض، وقوة وصلابة عالية، وثبات كيميائي ممتاز، مما يجعله مادة مثالية للتحكم الحراري. يمتلك كربيد السيليكون أيضًا معامل تمدد حراري منخفض وموصلية حرارية فائقة. ومن خلال دمج الماس كمرحلة تقوية في كربيد السيليكون، يمكن تحقيق مركبات كربيد الماس/السيليكون ذات معاملات تمدد حراري قابلة للضبط وموصلية حرارية عالية. بالمقارنة مع مركبات المصفوفة المعدنية المقواة بالماس-، فإن الماس وكربيد السيليكون لهما هياكل متشابهة، كما أن قابلية البلل ومطابقة التمدد الحراري أفضل بكثير من تلك الموجودة بين المعادن والماس.
02 عمليات تصنيع مركبات كربيد الماس/السيليكون
الماس عرضة للجرافيت في درجات حرارة عالية؛ يتمتع الجرافيت الناتج بموصلية حرارية وقوة انثناء أقل بكثير من الماس. لتصنيع مركبات كربيد الماس/السيليكون بنجاح، يعد التحكم الفعال في جرافيتي الماس أمرًا ضروريًا. نظرًا لأنه لا يمكن اختراق مصفوفة كربيد السيليكون مباشرة في قالب الماس، يتم الحصول على مصفوفة كربيد السيليكون عادةً من خلال تفاعلات السيليكون والكربون. عمليات التصنيع الرئيسية لمركبات كربيد الماس/السيليكون هي تقريبًا كما يلي.
(1) تلبيد الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية (HPHT).
في طريقة HPHT، يتم خلط المسحوق الدقيق للماس ومسحوق السيليكون النقي جيدًا ثم يتم تعريضهما لدرجة حرارة عالية وضغط مرتفع للخضوع لتفاعل في الموقع يشكل كربيد السيليكون، مما يؤدي في النهاية إلى إنتاج مركبات كربيد الماس/السيليكون. تتمثل ميزة هذه الطريقة في أنه في ظل ظروف الضغط العالي، لا يخضع الماس لعملية جرافيت كبيرة، ويمكن تقليل الفجوات بين جزيئات الماس بشكل فعال، مما يؤدي إلى إنتاج مركبات ذات نسبة عالية من حجم الماس وكثافة عالية. ومع ذلك، فإن عملية الضغط العالي تتطلب معدات باهظة الثمن وتفرض قيودًا كبيرة على شكل المركبات المصنعة.
(2) تلبد البلازما بالشرارة (SPS)
يشبه SPS HPHT من حيث أنه يلبد ويكثف التشكيل تحت درجة حرارة وضغط مرتفعين. ويكمن الفرق في أن SPS يستخدم شرارات كهربائية عالية الطاقة لتوليد تفريغ لحظي بين جزيئات المسحوق، مما ينتج بلازما ذات درجة حرارة عالية تطلق كمية كبيرة من الحرارة. لذلك، تتميز SPS بمعدلات تسخين سريعة وأوقات تلبد قصيرة. بالإضافة إلى ذلك، فإن ضغط التلبيد في SPS أقل منه في HPHT.
(3) الضغط المتوازن الساخن (HIP)
في عملية HIP، يتم وضع مساحيق الماس والسيليكون في حاوية مغلقة وتعريضها لضغط متساو من جميع الاتجاهات، في حين يتم الانتهاء من التلبيد والتكثيف في درجات حرارة مرتفعة. يعمل HIP عادة عند ضغوط تتراوح بين عدة مئات من الميغاباسكال. وتشمل مزاياها انخفاض ضغط التلبيد والقدرة على إنتاج كميات أكبر وعينات معقدة الشكل. ومع ذلك، فإن العملية معقدة وذات كفاءة إنتاجية منخفضة.
(4) تسلل السلائف والانحلال الحراري (PIP)
تستخدم طريقة PIP مادة كربيد السيليكون (بولي كربوسيلان) التي يتم تسخينها وتحللها حرارياً لتكوين كربيد السيليكون، والذي يعمل بعد ذلك كمصفوفة تربط جزيئات الماس معًا. تتمثل مزايا هذه العملية في انخفاض درجة حرارة التلبيد، والقدرة على أخذ عينات كبيرة الحجم أو معقدة الشكل، وعدم وجود سيليكون متبقي في المركب. ومع ذلك، نظرًا لانخفاض عائد التحويل للسلائف، غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى دورات متعددة لتحسين الكثافة.
(5) تسلل البخار الكيميائي (CVI)
CVI هي عملية خفيفة نسبيا. عند درجات حرارة التسلل المنخفضة، تظل جزيئات الماس مستقرة ويتم تجنب الجرافيت. بالمقارنة مع التقنيات الأخرى، فإن مرحلة كربيد السيليكون مشتقة من ترسيب البخار الكيميائي على سطح المادة، لذلك يمكن التخلص من مرحلة السيليكون بالكامل أثناء عملية CVI. تتميز المركبات المحضرة بهذه الطريقة بكثافة منخفضة نسبيًا وتستخدم عادةً لإنتاج عينات من الصفائح الرقيقة.
(6) التسلل التفاعلي (RI)
RI هي عملية تكثيف يتم فيها إذابة المادة الصلبة بالتسخين وتسربها إلى قالب مسبق مُجهز. اعتمادًا على قابلية البلل بين التسليح والمادة الأساسية، يمكن استخدام التسلل بمساعدة الضغط أو التسلل بدون ضغط.
في هذه العملية، يتم خلط جزيئات الماس ومسحوق الجرافيت بشكل موحد، مع استخدام الراتنج كمواد رابطة، ثم يتم ضغطه على البارد أو ضغطه على الساخن لتشكيل التشكيل. يتم بعد ذلك إخضاع القالب إلى عملية إزالة الارتباط والانحلال الحراري لتفحم المادة الرابطة بالكامل وزيادة مسامية التشكيل. وأخيرا، يتم تنفيذ تسلل السيليكون عن طريق التسخين في الفراغ أو جو خامل. أثناء التسلل، يتفاعل السيليكون السائل مع الكربون الحراري ومسحوق الجرافيت المضاف لتكوين كربيد السيليكون. بعد اكتمال تفاعل الكربون، يتم ملء المسام المتبقية في القالب بالسيليكون السائل، مما ينتج عنه مركب كثيف من الماس/كربيد السيليكون. بالمقارنة مع العمليات الأخرى، لا يتطلب RI إجراءات معقدة أو معدات باهظة الثمن؛ العملية بسيطة ولكنها تمكن من تشكيل شكل قريب من الشبكة للمركب.