전자 장치의 집적 회로가 점점 더 복잡해지고 칩 크기가 계속 작아짐에 따라 작동 중 과도한 열 축적으로 인해 장치 성능이 저하되고 단락 및 기타 오류가 발생할 수도 있습니다. 전자장비의 안정적이고 안전하며 효율적인 작동을 보장하기 위해 높은 열전도율, 낮은 열팽창계수, 낮은 밀도, 우수한 굴곡강도를 갖춘 포장재 개발이 연구의 초점이 되었습니다.
01 다이아몬드/실리콘 카바이드: 열 관리를 위한 강력한 조합
다이아몬드는 인간에게 알려진 자연 발생 물질 중 가장 높은 열전도율을 가지며, 낮은 열팽창 계수, 높은 강도 및 경도, 탁월한 화학적 안정성이 결합되어 이상적인 열 관리 소재입니다. 탄화 규소는 또한 낮은 열팽창 계수와 우수한 열 전도성을 가지고 있습니다. 강화 단계로 다이아몬드를 실리콘 카바이드에 통합함으로써 조정 가능한 열팽창 계수와 높은 열 전도성을 갖춘 다이아몬드/실리콘 카바이드 복합재를 얻을 수 있습니다. 다이아몬드- 강화 금속 매트릭스 복합재와 비교할 때, 다이아몬드와 탄화규소는 유사한 구조를 가지며, 금속과 다이아몬드 사이의 습윤성 및 열팽창 매칭이 훨씬 우수합니다.
02 다이아몬드/탄화규소 복합재 제조공정
다이아몬드는 고온에서 흑연화되기 쉽습니다. 생성된 흑연은 다이아몬드보다 열전도율과 굽힘 강도가 현저히 낮습니다. 다이아몬드/탄화규소 복합재를 성공적으로 제조하려면 다이아몬드 흑연화를 효과적으로 제어하는 것이 필수적입니다. 탄화규소 매트릭스는 다이아몬드 프리폼에 직접 침투할 수 없기 때문에 탄화규소 매트릭스는 일반적으로 규소-탄소 반응을 통해 얻어집니다. 다이아몬드/탄화규소 복합재의 주요 제조 공정은 대략 다음과 같습니다.
(1) 고압고온(HPHT) 소결
HPHT 방법에서는 다이아몬드 미세분말과 순수 실리콘 분말을 완전히 혼합한 후 고온, 고압에 노출되어 현장 반응을 거쳐 탄화규소를 형성하고 최종적으로 다이아몬드/탄화규소 복합재를 생성합니다. 이 방법의 장점은 고압 조건에서 다이아몬드가 상당한 흑연화를 겪지 않고 다이아몬드 입자 사이의 간격을 효과적으로 줄여 다이아몬드 부피 비율이 높고 밀도가 높은 복합재를 생산할 수 있다는 것입니다. 그러나 고압 공정에는 고가의 장비가 필요하며 제조된 복합재의 모양에 상당한 제한이 있습니다.
(2) 스파크 플라즈마 소결(SPS)
SPS는 고온 및 고압에서 프리폼을 소결하고 치밀화한다는 점에서 HPHT와 유사합니다. 차이점은 SPS가 고에너지 전기 스파크를 사용하여 분말 입자 사이에 순간 방전을 발생시켜 다량의 열을 방출하는 고온 플라즈마를 생성한다는 점입니다. 따라서 SPS는 빠른 가열 속도와 짧은 소결 시간을 특징으로 합니다. 또한 SPS의 소결 압력은 HPHT의 소결 압력보다 낮습니다.
(3) 열간등압성형(HIP)
HIP 공정에서는 다이아몬드와 실리콘 분말을 밀봉된 용기에 넣고 모든 방향에서 동일한 압력을 가하는 동시에 높은 온도에서 소결 및 치밀화가 완료됩니다. HIP는 일반적으로 수백 메가파스칼 범위의 압력에서 작동합니다. 장점으로는 낮은 소결 압력과 더 큰 부피 및 복잡한 모양의 샘플을 생산할 수 있는 능력이 있습니다. 그러나 공정이 복잡하고 생산효율이 낮다.
(4) 전구체 침투 및 열분해(PIP)
PIP 방법은 탄화규소 전구체(폴리카르보실란)를 사용하며 가열 및 열분해되어 탄화규소를 형성하며, 이는 다이아몬드 입자를 서로 결합하는 매트릭스 역할을 합니다. 이 공정의 장점은 낮은 소결 온도, 대규모 또는 복잡한 모양의 샘플에 대한 기능, 복합재에 잔류 실리콘이 없다는 것입니다. 그러나 전구체의 낮은 전환 수율로 인해 밀도를 향상시키기 위해 여러 사이클이 필요한 경우가 많습니다.
(5) 화학증기침투(CVI)
CVI는 비교적 온화한 과정입니다. 낮은 침투 온도에서는 다이아몬드 입자가 안정적으로 유지되고 흑연화가 방지됩니다. 다른 기술과 비교하여 탄화 규소 상은 재료 표면의 화학 기상 증착에서 파생되므로 CVI 공정 중에 규소 상을 완전히 제거할 수 있습니다. 이 방법으로 제조된 복합재는 상대적으로 밀도가 낮으며 일반적으로 얇은 시트 샘플을 생산하는 데 사용됩니다.
(6) 반응적 침투(RI)
RI는 가열에 의해 고체를 녹여 준비된 프리폼에 침투시키는 치밀화 공정이다. 강화재와 매트릭스 사이의 습윤성에 따라 압력 보조 침투 또는 무압 침투 침투를 사용할 수 있습니다.
이 공정에서는 다이아몬드 입자와 흑연분말을 바인더로 사용하는 수지와 균일하게 혼합한 후 냉압착 또는 열압착하여 프리폼을 형성합니다. 그런 다음 프리폼은 탈지 및 열분해되어 바인더를 완전히 탄화시키고 프리폼 다공성을 증가시킵니다. 마지막으로 진공 또는 불활성 분위기에서 가열하여 실리콘 침투를 수행합니다. 침투하는 동안 액체 실리콘은 열분해 탄소 및 첨가된 흑연 분말과 반응하여 탄화규소를 형성합니다. 탄소 반응이 완료된 후 프리폼에 남아 있는 기공은 액체 실리콘으로 채워져 조밀한 다이아몬드/탄화규소 복합체가 생성됩니다. 다른 프로세스에 비해 RI는 복잡한 절차나 값비싼 장비가 필요하지 않습니다. 공정은 간단하지만 복합재를 거의 그물 형태로 형성할 수 있습니다.