中國粉體網訊  不知什么時候，越來越多電子產品開始以“發燒”標榜自己。一開始，“發燒”是想凸顯產品的高性能，可到了后來，卻變成了消費者調侃產品溫度過高的貶義詞。

隨著終端產品對輕薄化和高效化的要求提升，半導體方案的發展方向已不僅僅是提升性能而已，發熱量和散熱表現也成為半導體設計中相當重要的因素。發熱量主要和芯片制造工藝和溫度控制算法有關，而散熱表現則可以在材料和產品結構上下功夫。

在導熱散熱領域，材料如何選擇？

目前，比較熱門的散熱方案主要有石墨片、石墨烯、導熱界面材料、熱管和均熱板以及半固態壓鑄件。而天然石墨散熱膜產品較厚，且熱導率不高，難以滿足未來高功率、高集成密度器件的散熱需求，同時也不符合人們對超輕薄、長續航等高性能要求。因此，尋找超熱導新材料具有極其重要的意義。這就要求這類材料具有極低的熱膨脹率，超高熱導率，以及輕薄的體積。金剛石、石墨烯等碳材料剛好滿足要求，他們具有很高的導熱系數，其復合材料是一類極具應用潛力的導熱散熱材料，目前已經成為人們關注的焦點。

金剛石比傳統散熱材料好在哪？

金剛石具有“碳單質”特性包括已知最高的熱導率、剛度和硬度，同時在較大波長范圍內具有高光學傳輸特性、低膨脹系數和低密度屬性。這些特性使金剛石成為能夠顯著降低熱阻的熱管理應用材料。

高導熱金剛石 圖源：長沙墨本新材料

要合成熱管理應用所需金剛石，第一步是選擇最恰當的合成技術。微波輔助CVD能夠更好地控制晶粒大小和晶粒界面，從而生成符合特定應用熱導率級別所需的高品質高再現性多晶金剛石。目前，CVD金剛石已實現商業化，有1000-2000W/m·K不同等級熱導率可供選擇。CVD金剛石還具有完全各向同性特征，強化各方向上的熱量擴散。

CVD金剛石與“傳統”散熱材料熱導率對比

CVD金剛石已實現量產，且成本較低。未經金屬化處理的CVD金剛石散熱器批量生產成本為1美元/立方毫米，價格主要取決于熱導率等級。對于0.25-0.40mm之間的常見厚度和橫向尺寸等于晶片大小的應用，射頻器件金剛石散熱器尺寸通常小于5立方毫米。因此，只需在芯片層面額外附加幾美元的增量成本，則可大幅降低系統成本。例如，若能實現系統在更高溫度下運行，則冷卻子系統的初始成本和之后的持續運行成本均可降低。采用適當的芯片粘貼方法，金剛石散熱器可為半導體封裝提供可靠的熱管理解決方案。

金剛石導熱原理

金剛石是立方晶體結構，每個碳原子都是以SP3雜化軌道與另外4個碳原子形成共價鍵，構成正四面體，因為所有的價電子都被限制在共價鍵區域，沒有自由電子，所以金剛石不導電。高熱傳導性與高導電性相關聯，不同于金屬依靠外圍電子進行傳熱，金剛石的熱導性能基本上來自碳原子振動（即聲子）的傳播。

金剛石的晶體結構

聲子平均自由程由聲子間的相互碰撞和固體中缺陷對聲子的散射決定。金剛石中的雜質元素、位錯和裂紋等晶體缺陷，殘留金屬催化劑及晶格位向等因素都會與聲子發生碰撞使其發生散射，從而限制了聲子的平均自由程，降低熱導率。

當物質的成分越單純、結構越簡單、雜質較少時，聲子運動就越快，傳熱速率也就越快。這是由于第二組分和雜質的引入會引起晶格扭曲、畸變和位錯，破壞晶體的完整性，增大聲子或電子的散射幾率。金剛石的組成只有單一元素碳，結構也十分簡單，Ia、Ib、IIa及 IIb4種鉆石中，IIa最純凈、雜質最少，因此擁有最高的傳熱速率。

除此之外，金剛石還具有高電阻率和高擊穿場強、低介電常數、低熱膨脹等特點，其在高功率光電器件散熱問題上具有明顯優勢，這也表明了金剛石在散熱領域具有巨大的應用潛力。

參考來源：

1.長沙墨本新材料官網，超硬材料網

2.杜建宇等.基于金剛石的先進熱管理技術研究進展.電子與封裝

（中國粉體網編輯整理/輕言）

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