हीरा/सिलिकॉन कार्बाइडः थर्मल मैनेजमेंट के लिए एक उच्च प्रदर्शन वाली साझेदारी

जैसे-जैसे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को तेजी से एकीकृत किया जाता है, अर्धचालक घटक सिकुड़ते रहते हैं जबकि उनकी शक्ति घनत्व बढ़ जाती है। इससे थर्मल प्रबंधन के लिए एक बढ़ती चुनौती पैदा होती है।अत्यधिक गर्मी जमा होने से उपकरण का प्रदर्शन कम हो सकता है, सामग्री के क्षरण में तेजी लाते हैं और गंभीर मामलों में विद्युत विफलताओं में योगदान देते हैं।

नतीजतन, शोधकर्ता उन्नत पैकेजिंग और थर्मल-प्रबंधन सामग्री पर ध्यान केंद्रित कर रहे हैं जो संयोजन करते हैंउच्च थर्मल चालकता, कम थर्मल विस्तार, कम घनत्व और उत्कृष्ट यांत्रिक शक्तिजिन सामग्रियों की जांच की जा रही है, उनमें हीरे और सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) को विशेष ध्यान आकर्षित किया गया है।

01हीरा/सिलिकॉन कार्बाइडः दो उच्च प्रदर्शन वाली सामग्रियों का संयोजन

हीरा व्यापक रूप से उच्चतम थर्मल चालकता के साथ सामग्री में से एक के रूप में मान्यता प्राप्त है, जबकि यह भी थर्मल विस्तार का एक कम गुणांक, असाधारण कठोरता और ताकत प्रदान करता है,और उत्कृष्ट रासायनिक स्थिरताये गुण हीरे को उन्नत थर्मल-प्रबंधन अनुप्रयोगों के लिए अत्यधिक आकर्षक बनाते हैं।

सिलिकॉन कार्बाइड भी उच्च थर्मल चालकता, कम थर्मल विस्तार, उच्च यांत्रिक शक्ति, और उत्कृष्ट रासायनिक स्थिरता का एक संयोजन प्रदान करता है।एक SiC मैट्रिक्स में एक सुदृढीकरण चरण के रूप में हीरे को शामिल करके, इंजीनियर विकसित कर सकते हैंहीरा/सिलिकॉन कार्बाइड कम्पोजिटनियंत्रित थर्मल विस्तार और उत्कृष्ट गर्मी-विसारण प्रदर्शन के साथ।

हीरे से प्रबलित धातु मैट्रिक्स कम्पोजिट की तुलना में, हीरा/सीआईसी प्रणाली सामग्री संगतता के मामले में फायदे प्रदान करती है।हीरा और सीआईसी में अपेक्षाकृत समान संरचनात्मक और थर्मल विशेषताएं हैं, जबकि उनका इंटरफ़ेस हीरे और कई धातु मैट्रिक्स के बीच की तुलना में बेहतर संगतता प्रदान कर सकता है।यह विशेष रूप से अनुप्रयोगों के लिए हीरा/SiC प्रणाली विशेष रूप से दिलचस्प बनाता है जहां दोनों थर्मल प्रदर्शन और आयामी स्थिरता महत्वपूर्ण हैं.

02हीरा/सिलिकॉन कार्बाइड कम्पोजिट कैसे निर्मित होते हैं?

हीरे/सीआईसी कम्पोजिट के निर्माण में मुख्य चुनौतियों में से एक हीरे की थर्मल स्थिरता को नियंत्रित करना है।

अत्यधिक उच्च तापमान पर, हीरा ग्राफ़िटीकरण से गुजर सकता है और ग्रेफाइट में बदल सकता है।ग्राफाइट में आम तौर पर काफी कम थर्मल कंडक्टिविटी और यांत्रिक शक्ति होती हैइसलिए, विनिर्माण प्रक्रिया में तापमान, दबाव, प्रतिक्रिया समय और सामग्री संरचना को सावधानीपूर्वक संतुलित करना चाहिए।

चूंकि SiC मैट्रिक्स घने हीरे के पूर्वरूप में प्रवेश नहीं कर सकता है, इसलिए SiC आमतौर पर सिलिकॉन और कार्बन को शामिल करने वाली प्रतिक्रियाओं के माध्यम से उत्पन्न होता है। आवश्यक सामग्री गुणों के आधार पर, ज्यामिति,और उत्पादन के पैमाने पर, कई विनिर्माण प्रौद्योगिकियों का उपयोग किया जा सकता है।

1उच्च दबाव उच्च तापमान सिंटरिंग

उच्च दबाव उच्च तापमान (एचपीएचटी) प्रसंस्करण में हीरे के पाउडर को सिलिकॉन पाउडर के साथ मिलाकर मिश्रण को उच्च तापमान और दबाव के अधीन करना शामिल है।सिलिकॉन कार्बाइड बनाने के लिए कार्बन के साथ प्रतिक्रिया करता है, एक घने हीरे/SiC मिश्र धातु का उत्पादन।

एचपीएचटी प्रसंस्करण का एक प्रमुख लाभ यह है कि उच्च दबाव वाला वातावरण अत्यधिक हीरा ग्राफ़िटीकरण को दबाने में मदद करता है। यह हीरे के कणों के बीच के रिक्त स्थान को भी कम कर सकता है,के साथ कम्पोजिट के उत्पादन के लिए सक्षमउच्च हीरा मात्रा के अंश और उच्च घनत्व.

हालांकि, एचपीएचटी को उच्च दबाव और तापमान बनाए रखने में सक्षम विशेष उपकरण की आवश्यकता होती है। इसलिए उपकरण निवेश और प्रसंस्करण लागत अपेक्षाकृत अधिक हो सकती है,जबकि प्राप्त करने योग्य घटक ज्यामिति सीमित हो सकती है.

2. स्पार्क प्लाज्मा सिंटरिंग

स्पार्क प्लाज्मा सिंटरिंग (एसपीएस) एक अन्य दबाव-सहायतायुक्त घनत्व तकनीक है। एसपीएस के दौरान, पाउडर कॉम्पैक्ट के माध्यम से बिजली की ऊर्जा तेजी से छुट्टी दी जाती है,स्थानीय ताप और प्लाज्मा प्रभाव पैदा करना.

पारंपरिक उच्च दबाव/उच्च तापमान प्रसंस्करण की तुलना में, एसपीएस एकतेज ताप दर और अपेक्षाकृत कम सेंटरिंग चक्रआवश्यक दबाव कुछ एचपीएचटी प्रक्रियाओं में उपयोग किए जाने वाले दबाव से भी कम हो सकता है।

ये विशेषताएं एसपीएस को आकर्षक बनाती हैं जब प्रसंस्करण समय और तापमान नियंत्रण महत्वपूर्ण होते हैं।

3गर्म आइसोस्टैटिक प्रेसिंग

गर्म आइसोस्टैटिक प्रेसिंग (एचआईपी) हीरे और सिलिकॉन युक्त पाउडर को एक सील कंटेनर के अंदर रखती है और सामग्री को एक साथ गर्म करते हुए कई दिशाओं से समान रूप से दबाव लागू करती है।

HIP आमतौर पर मेगापासकल के सैकड़ों में दबाव पर काम करता है. क्योंकि दबाव isotropically लागू किया जाता है,इस तकनीक का उपयोग अपेक्षाकृत बड़े या ज्यामितीय रूप से जटिल घटकों का उत्पादन करने के लिए किया जा सकता है.

नुकसानों में अपेक्षाकृत जटिल प्रक्रिया, विशेष उपकरण और अपेक्षाकृत कम उत्पादन दक्षता शामिल है।

4पोलीमर घुसपैठ और पायरोलिसिस

पॉलिमर घुसपैठ और पायरोलिसिस (पीआईपी) में सिलिकॉन कार्बाइड के अग्रदूत का उपयोग किया जाता है, जैसे कि पॉलीकार्बोसिलैन, सीआईसी मैट्रिक्स के स्रोत के रूप में।

हीटिंग के दौरान, अग्रदूत विघटित हो जाता है और सिलिकॉन कार्बाइड में परिवर्तित हो जाता है। परिणामस्वरूप SiC चरण धीरे-धीरे हीरे के कणों को जोड़ता है और उन्हें घेरता है।

पीआईपी के कई फायदे हैं जिनमें अपेक्षाकृत कम प्रसंस्करण तापमान और बड़े या जटिल आकार के घटकों का उत्पादन करने की क्षमता शामिल है।यह अंतिम कम्पोजिट में अवशिष्ट मुक्त सिलिकॉन की उपस्थिति को भी कम कर सकता है.

हालांकि, एक चक्र के दौरान अग्रदूत रूपांतरण आम तौर पर अधूरा होता है। इसलिए घनत्व बढ़ाने और अवशिष्ट छिद्रता को कम करने के लिए कई घुसपैठ और पायरोलिसिस चक्रों की आवश्यकता हो सकती है।

5रासायनिक वाष्प घुसपैठ

रासायनिक वाष्प घुसपैठ (सीवीआई) एक अपेक्षाकृत कोमल प्रसंस्करण विधि है। सिलिकॉन कार्बाइड को एक गैस के रूप में अग्रदूत से हीरे के कणों पर और उनके बीच जमा किया जाता है।

चूंकि हीरे की स्थिरता बनाए रखने के लिए घुसपैठ तापमान को नियंत्रित किया जा सकता है, इसलिए सीवीआई ग्राफिटिसिशन के जोखिम को कम करने में मदद कर सकता है।सीआईसी चरण तरल सिलिकॉन घुसपैठ के बजाय वाष्प-चरण जमाव के माध्यम से पेश किया जाता है, जिससे मुक्त सिलिकॉन को कम से कम या समाप्त किया जा सके।

मुख्य सीमा यह है कि सीवीआई आम तौर पर कम घनत्व और अपेक्षाकृत धीमी प्रसंस्करण दर के साथ कम्पोजिट का उत्पादन करता है। इसलिए इसे अक्सर पतले या अपेक्षाकृत छोटे घटकों के लिए माना जाता है।

6प्रतिक्रियाशील घुसपैठ

प्रतिक्रियाशील घुसपैठ (आरआई), जिसे प्रासंगिक प्रणालियों में सिलिकॉन पिघल घुसपैठ के रूप में भी जाना जाता है, एक घनत्व प्रक्रिया है जिसमें पिघला हुआ सिलिकॉन एक तैयार छिद्रित पूर्वरूप में प्रवेश करता है।

प्रबलित और मैट्रिक्स के बीच गीलापन विशेषताओं के आधार पर, या तो दबाव-सहायता प्राप्त घुसपैठ या दबाव रहित घुसपैठ का उपयोग किया जा सकता है।

आमतौर पर हीरे के कणों को ग्रेफाइट पाउडर और राल बांधने वाले पदार्थ के साथ समान रूप से मिलाकर प्रक्रिया शुरू की जाती है। मिश्रण को बाद में ठंडे या गर्म दबाव से प्रीफॉर्म किया जाता है।

गठन के बाद, पूर्वरूप को डिबाइंडिंग और पायरोलिसिस से गुजरना पड़ता है। बाइंडर को कार्बन में परिवर्तित किया जाता है जबकि बाद में घुसपैठ की सुविधा के लिए पूर्वरूप की आंतरिक छिद्रता को समायोजित किया जाता है।

इसके बाद पूर्वरूप को निर्वात या निष्क्रिय वातावरण में गर्म किया जाता है ताकि पिघले हुए सिलिकॉन को छिद्रित संरचना में घुसने की अनुमति मिल सके।तरल सिलिकॉन पायरोलिटिक कार्बन और ग्रेफाइट के साथ सिलिकॉन कार्बाइड बनाने के लिए प्रतिक्रिया करता हैएक बार कार्बन-सिलिकॉन प्रतिक्रिया पूरी हो जाने के बाद शेष छिद्र सिलिकॉन से भर जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप एक घनी हीरा/सीआईसी कम्पोजिट बनता है।

कई अन्य उन्नत विनिर्माण तकनीकों की तुलना में, प्रतिक्रियाशील घुसपैठ अपेक्षाकृत सरल प्रक्रिया प्रदान करती है और आवश्यक रूप से अत्यधिक जटिल या महंगे उपकरण की आवश्यकता नहीं होती है।एक अन्य महत्वपूर्ण लाभ यह है कि यह घटकों का उत्पादन करने में सक्षम हैअपने अंतिम आयामों के करीब, जो बाद में आवश्यक मशीनिंग की मात्रा को कम करता है।

03उन्नत थर्मल प्रबंधन के लिए हीरा/सीआईसी क्यों महत्वपूर्ण है

हीरे और सिलिकॉन कार्बाइड का संयोजन कई गुणों को एक साथ लाता है जो आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक पैकेजिंग के लिए अत्यधिक वांछनीय हैंः कुशल गर्मी हस्तांतरण, नियंत्रित थर्मल विस्तार,उच्च यांत्रिक शक्ति, और रासायनिक स्थिरता।

जैसा कि अर्धचालक शक्ति घनत्व में वृद्धि जारी है, हीरे/SiC मिश्र धातुओं में अनुप्रयोगों के लिए क्षमता है जैसे किउन्नत इलेक्ट्रॉनिक पैकेजिंग, उच्च शक्ति वाले अर्धचालक मॉड्यूल, आरएफ उपकरण, लेजर सिस्टम और अन्य गर्मी-संवेदनशील घटक.

उपयुक्त विनिर्माण विधि का चयन अंततः आवश्यक ताप प्रवाहकता, हीरे की मात्रा, घनत्व, घटक ज्यामिति, आयामी सटीकता और उत्पादन मात्रा पर निर्भर करता है।