電子機器の集積回路がますます複雑になり、チップサイズが縮小し続けるにつれて、動作中の過度の熱蓄積により機器の性能が低下し、さらには短絡やその他の故障が発生する可能性があります。電子機器の安定、安全、効率的な動作を確保するために、高熱伝導率、低熱膨張率、低密度、優れた曲げ強度を備えた包装材料の開発が研究の焦点となっています。
01 ダイヤモンド/炭化ケイ素: 熱管理のための強力な組み合わせ
ダイヤモンドは、人類に知られている天然素材の中で最も高い熱伝導率を持ち、低い熱膨張係数、高い強度と硬度、優れた化学的安定性を兼ね備えており、理想的な熱管理材料となっています。炭化ケイ素は、熱膨張係数が低く、熱伝導率にも優れています。ダイヤモンドを強化相として炭化ケイ素に組み込むことにより、調整可能な熱膨張係数と高い熱伝導率を備えたダイヤモンド/炭化ケイ素複合材料を実現できます。ダイヤモンド-強化金属マトリックス複合材料と比較すると、ダイヤモンドと炭化ケイ素は類似した構造を持ち、その濡れ性と熱膨張の一致は金属とダイヤモンド間のものよりもはるかに優れています。
02 ダイヤモンド/炭化ケイ素複合材料の製造プロセス
ダイヤモンドは高温で黒鉛化する傾向があります。得られるグラファイトは、ダイヤモンドよりも熱伝導率と曲げ強度が大幅に低くなります。ダイヤモンド/炭化ケイ素複合材料をうまく製造するには、ダイヤモンドの黒鉛化を効果的に制御することが不可欠です。炭化ケイ素マトリックスはダイヤモンドプリフォームに直接浸透できないため、通常、炭化ケイ素マトリックスはケイ素と炭素の反応によって得られます。ダイヤモンド/炭化ケイ素複合材料の主な製造プロセスは大まかに以下のとおりです。
(1) 高圧高温 (HPHT) 焼結
HPHT 法では、ダイヤモンド微粉末と純粋なシリコン粉末を完全に混合し、高温高圧にさらしてその場で反応させて炭化ケイ素を形成し、最終的にダイヤモンド/炭化ケイ素複合材料を生成します。この方法の利点は、高圧条件下でもダイヤモンドが大幅な黒鉛化を起こさず、ダイヤモンド粒子間の隙間を効果的に減少させ、高いダイヤモンド体積分率と高密度の複合材料を製造できることです。ただし、高圧プロセスには高価な装置が必要であり、製造される複合材料の形状に大きな制限が課せられます。
(2) 放電プラズマ焼結（SPS）
SPS は、高温高圧下でプリフォームを焼結し、緻密化するという点で HPHT と似ています。違いは、SPS が高エネルギーの電気火花を使用して粉末粒子間に瞬間的な放電を発生させ、大量の熱を放出する高温プラズマを生成することです。したがって、SPS は加熱速度が速く、焼結時間が短いという特徴があります。さらに、SPS の焼結圧力は HPHT の焼結圧力よりも低くなります。
(3) 熱間静水圧加圧(HIP)
HIP プロセスでは、ダイヤモンドとシリコンの粉末を密閉容器に入れ、全方向から均等な圧力を加えながら、高温で焼結と緻密化を完了させます。 HIP は通常、数百メガパスカルの範囲の圧力で動作します。その利点には、焼結圧力が低いこと、より大量の複雑な形状のサンプルを生成できることが含まれます。しかし、その工程は煩雑であり、生産効率が低い。
(4) 前駆体浸透熱分解 (PIP)
PIP 法では、加熱および熱分解して炭化ケイ素を形成する炭化ケイ素前駆体 (ポリカルボシラン) を使用します。これがダイヤモンド粒子を結合するマトリックスとして機能します。このプロセスの利点は、焼結温度が低いこと、大規模または複雑な形状のサンプルに対応できること、複合材料中にシリコンが残留しないことです。ただし、前駆体の変換収率が低いため、密度を向上させるには複数のサイクルが必要になることがよくあります。
(5) 化学蒸気浸透 (CVI)
CVI は比較的穏やかなプロセスです。低い浸透温度では、ダイヤモンド粒子は安定したままであり、黒鉛化が回避されます。他の技術と比較して、炭化ケイ素相は材料表面への化学蒸着によって生成されるため、CVI プロセス中にケイ素相を完全に除去できます。この方法で調製された複合材料は比較的密度が低く、通常は薄板サンプルの製造に使用されます。
(6) 反応性浸透（RI）
RI は、固体を加熱して溶かし、準備したプリフォームに浸透させる緻密化プロセスです。強化材とマトリックス間の湿潤性に応じて、加圧浸透または無加圧浸透のいずれかを使用できます。
ダイヤモンド粒子と黒鉛粉末をバインダーとして樹脂を用いて均一に混合し、コールドプレスまたはホットプレスしてプリフォームを形成するプロセスです。次に、プリフォームは脱結合剤と熱分解を受けて結合剤が完全に炭化され、プリフォームの多孔率が増加します。最後に、真空または不活性雰囲気中で加熱することによりシリコンの浸透が行われます。浸透中に、液体シリコンが熱分解炭素および添加されたグラファイト粉末と反応して炭化ケイ素を形成します。炭素反応が完了すると、プリフォームの残りの細孔が液体シリコンで満たされ、緻密なダイヤモンド/炭化ケイ素複合体が形成されます。他のプロセスと比較して、RI は複雑な手順や高価な設備を必要としません。プロセスはシンプルですが、複合材料のニアネットシェイプ形成が可能です。