Introdução aos wafers de diamante: Monocristalino vs Policristalino

Atualmente, as pastilhas de diamante são amplamente utilizadas nos setores de alta tecnologia devido à sua dureza excepcional e propriedades exclusivas para fins eletrônicos, ópticos e até mesmo de corte e polimento. Em particular, as pastilhas de diamante são valorizadas por sua extraordinária resistência a condições extremas, como alta temperatura e estresse mecânico intenso. Os tipos mais populares de pastilhas de diamante são o monocristalino e o policristalino; ambos os tipos têm algumas características distintas e vantagens em determinados usos.

O que são pastilhas de diamante?

Uma pastilha de diamante é uma peça fina e plana de material de diamante sintético, geralmente preparada por processos como os métodos CVD ou HPHT. Essas pastilhas são cortadas em um tamanho específico e são usadas principalmente como substratos em várias aplicações industriais e científicas. A dureza e a condutividade térmica do diamante fazem dele um material perfeitamente utilizável em áreas onde os materiais convencionais podem falhar.

Fig. 1 Pastilha de diamante CVD

Pastilhas de diamante monocristalino

O wafer de diamante monocristalino é feito de um cristal de diamante único e contínuo. Em outras palavras, todo o wafer é produzido a partir de uma estrutura uniforme em que todos os átomos se alinham da mesma maneira. Essa uniformidade confere aos diamantes monocristalinos propriedades exclusivas, incluindo

- Alta condutividade térmica: Suas altas competências de gerenciamento térmico tornam os diamantes monocristalinos perfeitos para aplicações em eletrônicos de alta potência ou simples dissipação de calor.

- Alta resistência mecânica: Os diamantes monocristalinos possuem uma resistência excepcionalmente alta devido à sua estrutura cristalina, o que os torna muito eficazes em aplicações como corte, esmerilhamento e perfuração.

- Claridade óptica: Esses wafers podem ser usados em óptica de precisão, devido à sua capacidade de transmitir luz com distorção mínima. Isso proporciona grandes benefícios na tecnologia a laser e em equipamentos especializados de geração de imagens.

O crescimento do diamante monocristalino é consideravelmente mais demorado e caro do que o de outras formas, mas o produto final encontra uma demanda muito forte em aplicações de desempenho crítico, como a fabricação de semicondutores de ponta, a computação quântica e até mesmo o setor aeroespacial.

Aplicações das pastilhas de diamante monocristalino:

• Eletrônicos de alto desempenho: Utilizado em dispositivos de energia, dissipadores de calor.
• Indústria de semicondutores: Como substratos para dispositivos semicondutores avançados.
• Óptica e lasers: Incluem janelas de laser e lentes de alta precisão.
• O corte e a perfuração industriais envolvem ferramentas que exigem níveis extremos de resistência ao desgaste.

Wafers de diamante policristalino

Por outro lado, as pastilhas de diamante policristalino são fabricadas pela coleta de cristais de diamante que são fundidos. Esses cristais, embora sejam de diamante, não estão alinhados em uma única estrutura contínua. O resultado é um material que varia em propriedades mecânicas e térmicas em comparação com o diamante monocristalino.

Fig. 2 Diamante policristalino [1]

Os principais recursos das pastilhas de diamante policristalino incluem:

- Custo mais baixo: Os diamantes policristalinos são normalmente mais baratos do que os monocristalinos, devido a um processo mais eficiente de crescimento. Isso acaba tornando as pastilhas de diamante policristalino uma opção econômica para muitas aplicações.

- Alta resistência à abrasão: Embora não tenha uma estrutura monocristalina, o diamante policristalino é extraordinariamente resistente e, portanto, tem ampla aplicação em corte, esmerilhamento e perfuração, onde é necessária alta resistência ao desgaste.

- Versatilidade: As áreas de aplicação dos diamantes policristalinos são muito mais amplas devido à sua flexibilidade na produção e à sua eficiência de custo.

No entanto, os wafers de diamante policristalino tendem a ter uma condutividade térmica mais baixa e menos clareza óptica do que seus equivalentes de diamante monocristalino. Consequentemente, elas não podem ser aplicadas em sistemas ópticos de alta precisão ou quando é necessário um gerenciamento superior do calor.

Aplicações das pastilhas de diamante policristalino:

• Ferramentas de corte industriais: Aplicadas a ferramentas empregadas em usinagem, mineração e outros usos abrasivos.
• Dissipadores de calor: Onde a alta condutividade térmica é menos imperativa.

• Revestimentos resistentes ao desgaste para componentes que operam em condições ambientais severas.

Comparação: Wafers de Diamante Monocristalino vs. Policristalino

Aqui está uma tabela de comparação refinada com uma estrutura mais clara e pontos de dados específicos quando aplicável:

Principais conclusões:

• Condutividade térmica: Os diamantes monocristalinos são muito superiores na dissipação de calor, o que os torna ideais para eletrônicos de alta potência ou ambientes que exigem um gerenciamento eficiente do calor.
• Resistência mecânica: Embora ambos os tipos sejam fortes, os diamantes monocristalinos tendem a superar os policristalinos em termos de uniformidade e resistência à tração.
• Custo-benefício: As pastilhas de diamante policristalino são muito mais econômicas, o que as torna uma opção atraente para aplicações industriais em que o desempenho final não é tão importante.
• Claridade óptica: Os diamantes monocristalinos são excelentes em óptica devido à sua estrutura cristalina uniforme, enquanto os diamantes policristalinos são menos transparentes.

Conclusão

A escolha entre wafers de diamante monocristalino e policristalino geralmente depende de uma série de necessidades específicas de aplicação. Os diamantes monocristalinos são muito melhores para aplicações de alta precisão na fabricação de semicondutores, eletrônica avançada e óptica devido ao seu melhor desempenho em condutividade térmica e resistência mecânica. As pastilhas de diamante policristalino são adequadas para situações que exigem durabilidade para aplicações como corte e perfuração industrial.

À medida que a pesquisa e a tecnologia se aprimoram, o papel que as pastilhas de diamante desempenharão em muitos setores também continuará a aumentar, tornando esses materiais indispensáveis para o desenvolvimento de tecnologias mais eficientes, robustas e complexas. Para obter mais informações, consulte a Stanford Advanced Materials (SAM).

Referências:

[1] Sobolev, Nikolay & Tomilenko, A. & Bul'bak, Taras & Logvinova, Alla. (2019). Composition of Hydrocarbons in Diamonds, Garnet, and Olivine from Diamondiferous Peridotites from the Udachnaya Pipe in Yakutia, Russia [Composição de hidrocarbonetos em diamantes, granada e olivina de peridotitos diamantíferos do tubo Udachnaya em Yakutia, Rússia]. Engenharia. 5. 10.1016/j.eng.2019.03.002.