中国粉体网讯 不知什么时候，越来越多电子产品开始以“发烧”标榜自己。一开始，“发烧”是想凸显产品的高性能，可到了后来，却变成了消费者调侃产品温度过高的贬义词。
随着终端产品对轻薄化和高效化的要求提升，半导体方案的发展方向已不仅仅是提升性能而已，发热量和散热表现也成为半导体设计中相当重要的因素。发热量主要和芯片制造工艺和温度控制算法有关，而散热表现则可以在材料和产品结构上下功夫。
在导热散热领域，材料如何选择？
目前，比较热门的散热方案主要有石墨片、石墨烯、导热界面材料、热管和均热板以及半固态压铸件。而天然石墨散热膜产品较厚，且热导率不高，难以满足未来高功率、高集成密度器件的散热需求，同时也不符合人们对超轻薄、长续航等高性能要求。因此，寻找超热导新材料具有极其重要的意义。这就要求这类材料具有极低的热膨胀率，超高热导率，以及轻薄的体积。金刚石、石墨烯等碳材料刚好满足要求，他们具有很高的导热系数，其复合材料是一类极具应用潜力的导热散热材料，目前已经成为人们关注的焦点。
金刚石比传统散热材料好在哪？
金刚石具有“碳单质”特性包括已知最高的热导率、刚度和硬度，同时在较大波长范围内具有高光学传输特性、低膨胀系数和低密度属性。这些特性使金刚石成为能够显著降低热阻的热管理应用材料。
高导热金刚石 图源：长沙墨本新材料
要合成热管理应用所需金刚石，第一步是选择最恰当的合成技术。微波辅助CVD能够更好地控制晶粒大小和晶粒界面，从而生成符合特定应用热导率级别所需的高品质高再现性多晶金刚石。目前，CVD金刚石已实现商业化，有1000-2000W/m·K不同等级热导率可供选择。CVD金刚石还具有完全各向同性特征，强化各方向上的热量扩散。
CVD金刚石与“传统”散热材料热导率对比
CVD金刚石已实现量产，且成本较低。未经金属化处理的CVD金刚石散热器批量生产成本为1美元/立方毫米，价格主要取决于热导率等级。对于0.25-0.40mm之间的常见厚度和横向尺寸等于晶片大小的应用，射频器件金刚石散热器尺寸通常小于5立方毫米。因此，只需在芯片层面额外附加几美元的增量成本，则可大幅降低系统成本。例如，若能实现系统在更高温度下运行，则冷却子系统的初始成本和之后的持续运行成本均可降低。采用适当的芯片粘贴方法，金刚石散热器可为半导体封装提供可靠的热管理解决方案。
金刚石导热原理
金刚石是立方晶体结构，每个碳原子都是以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键，构成正四面体，因为所有的价电子都被限制在共价键区域，没有自由电子，所以金刚石不导电。高热传导性与高导电性相关联，不同于金属依靠外围电子进行传热，金刚石的热导性能基本上来自碳原子振动（即声子）的传播。
金刚石的晶体结构
声子平均自由程由声子间的相互碰撞和固体中缺陷对声子的散射决定。金刚石中的杂质元素、位错和裂纹等晶体缺陷，残留金属催化剂及晶格位向等因素都会与声子发生碰撞使其发生散射，从而限制了声子的平均自由程，降低热导率。
当物质的成分越单纯、结构越简单、杂质较少时，声子运动就越快，传热速率也就越快。这是由于第二组分和杂质的引入会引起晶格扭曲、畸变和位错，破坏晶体的完整性，增大声子或电子的散射几率。金刚石的组成只有单一元素碳，结构也十分简单，Ia、Ib、IIa及 IIb4种钻石中，IIa最纯净、杂质最少，因此拥有最高的传热速率。
除此之外，金刚石还具有高电阻率和高击穿场强、低介电常数、低热膨胀等特点，其在高功率光电器件散热问题上具有明显优势，这也表明了金刚石在散热领域具有巨大的应用潜力。
参考来源：
1.长沙墨本新材料官网，超硬材料网
2.杜建宇等.基于金刚石的先进热管理技术研究进展.电子与封装
（中国粉体网编辑整理/轻言）
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