中國(guó)粉體網(wǎng)訊 隨著電子產(chǎn)品向更高集成化、小型化、智能化進(jìn)展，電子元器件面臨功率增加和熱流密度上升的挑戰(zhàn)。此外，半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，特別是在新能源、電子、航空航天等領(lǐng)域的不斷創(chuàng)新，導(dǎo)致熱量產(chǎn)生急劇增加。散熱成為限制高功率設(shè)備發(fā)展的關(guān)鍵因素。金剛石，以其最高熱導(dǎo)率，得益于CVD技術(shù)進(jìn)步，成為熱管理的理想材料。其卓越的熱導(dǎo)能力不僅提高了電子元器件的使用壽命，也顯著增強(qiáng)了器件性能和效率。
金剛石物理特性
超高熱導(dǎo)率：金剛石的超高熱導(dǎo)率是由其內(nèi)部聲子，即晶體中的振動(dòng)能量波，有效傳遞熱能所致。金剛石的熱導(dǎo)率室溫下可達(dá)2000 W/m·K以上，遠(yuǎn)超銅、鋁等傳統(tǒng)散熱金屬材料（銅的熱導(dǎo)率約為400 W/m·K），能夠極為高效地傳導(dǎo)熱量，確保熱量迅速?gòu)陌l(fā)熱源散發(fā)。
電絕緣性：這一特性使得金剛石在電子電路密布的電子設(shè)備散熱場(chǎng)景中優(yōu)勢(shì)盡顯，既能實(shí)現(xiàn)出色散熱效果，又能有效避免因?qū)щ娦砸l(fā)的短路等電路故障問(wèn)題，保障設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行。
化學(xué)穩(wěn)定性：金剛石可耐受酸、堿、高溫、高壓等多種惡劣環(huán)境侵蝕，在航空航天的極端工況以及工業(yè)生產(chǎn)的復(fù)雜化學(xué)環(huán)境里，依然能夠穩(wěn)定發(fā)揮散熱功效，極大拓寬了其適用范圍。
金剛石不同形態(tài)及應(yīng)用
單晶金剛石：內(nèi)部原子排列規(guī)則有序，晶格缺陷極少，具備極高的熱導(dǎo)率，多被用作高端散熱片，應(yīng)用于對(duì)散熱要求極高、精度要求嚴(yán)苛的軍事雷達(dá)、量子計(jì)算芯片等核心設(shè)備，保障設(shè)備運(yùn)行時(shí)熱量精準(zhǔn)、快速散發(fā)。
多晶金剛石：由眾多細(xì)小金剛石晶粒組成，成本相對(duì)單晶金剛石較低，加工靈活性強(qiáng)。在功率半導(dǎo)體器件如IGBT模塊中，充當(dāng)散熱基板，緊密貼合芯片背面，高效導(dǎo)出熱量；在高功率LED照明領(lǐng)域，作為熱傳導(dǎo)板或封裝材料，降低光衰、延長(zhǎng)燈具使用壽命；還可用于激光二極管熱沉，助力提升激光輸出功率與穩(wěn)定性。
圖源：碳索芯材公眾號(hào)
金剛石微粉：粒徑微小，常通過(guò)特殊工藝與金屬、陶瓷等材料復(fù)合，制成散熱膏、散熱涂層等產(chǎn)品。散熱膏填充在發(fā)熱元件與散熱器間的縫隙，減少接觸熱阻；散熱涂層則可直接涂覆在設(shè)備表面，實(shí)現(xiàn)大面積散熱，廣泛應(yīng)用于電腦CPU散熱器、手機(jī)散熱模組等消費(fèi)電子領(lǐng)域。
金剛石散熱材料具體應(yīng)用實(shí)例
電子設(shè)備領(lǐng)域：以智能手機(jī)為例，隨著芯片運(yùn)算速度加快、5G模塊功耗增加，機(jī)身發(fā)熱愈發(fā)嚴(yán)重。采用金剛石微粉復(fù)合散熱材料的散熱模組，能讓手機(jī)在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)溫度降低10-15℃，避免因過(guò)熱導(dǎo)致的降頻卡頓現(xiàn)象，保障流暢使用體驗(yàn)。
航空航天領(lǐng)域：衛(wèi)星電子設(shè)備長(zhǎng)期處于真空、高低溫交變環(huán)境，傳統(tǒng)散熱材料性能受限。金剛石散熱材料憑借耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定特性，作為衛(wèi)星核心控制器件的散熱保障，維持設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，提升衛(wèi)星可靠性與在軌壽命；航天飛行器的機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)，借助金剛石出色散熱能力，保障雷達(dá)長(zhǎng)時(shí)間高功率工作，精準(zhǔn)探測(cè)目標(biāo)。
汽車行業(yè)：電動(dòng)汽車電池快充時(shí)發(fā)熱劇烈，多晶金剛石散熱基板用于電池模組，加速熱量散發(fā)，提升充電安全性與速度；汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）采用金剛石散熱涂層，抵御發(fā)動(dòng)機(jī)艙高溫環(huán)境，確保ECU穩(wěn)定工作，精準(zhǔn)調(diào)控發(fā)動(dòng)機(jī)工況。
其他工業(yè)領(lǐng)域：工業(yè)激光器工作時(shí)產(chǎn)生大量廢熱，金剛石熱沉有效冷卻激光介質(zhì)，提升激光輸出質(zhì)量與穩(wěn)定性；大型數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，為防止因過(guò)熱宕機(jī)，選用含金剛石成分的散熱組件，保障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)算的持續(xù)高效進(jìn)行。
圖源：碳索芯材公眾號(hào)
金剛石散熱材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化策略
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，將金剛石與銅、鋁等金屬搭配，利用金屬良好延展性、加工性彌補(bǔ)金剛石脆性，形成互補(bǔ)協(xié)同的散熱結(jié)構(gòu)體；設(shè)計(jì)微通道散熱結(jié)構(gòu)，在金剛石散熱片中加工微米級(jí)通道，讓冷卻液直接流經(jīng)帶走熱量，大幅提升散熱效率；通過(guò)3D打印等先進(jìn)工藝，定制個(gè)性化、異形的金剛石散熱部件，貼合復(fù)雜設(shè)備結(jié)構(gòu)。
性能優(yōu)化：通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)精準(zhǔn)調(diào)控金剛石生長(zhǎng)參數(shù)，減少內(nèi)部缺陷、提升晶體質(zhì)量，進(jìn)而增強(qiáng)熱導(dǎo)率；表面改性處理，如鍍金屬膜，改善金剛石與其他材料界面結(jié)合力，降低接觸熱阻；摻雜特定元素，微調(diào)金剛石電學(xué)性能，使其適配不同散熱場(chǎng)景需求。
展望未來(lái)，金剛石散熱材料發(fā)展態(tài)勢(shì)向好，前景廣闊。在技術(shù)上，CVD技術(shù)革新有望實(shí)現(xiàn)大面積、高質(zhì)量單晶金剛石低成本制備，新型摻雜、復(fù)合技術(shù)也將賦予其更多功能，滿足多元散熱需求；在應(yīng)用中，材料與柔性電子、生物醫(yī)療等新興領(lǐng)域深度融合，催生出可穿戴柔性散熱器件、植入式醫(yī)療設(shè)備散熱部件等創(chuàng)新成果；在市場(chǎng)里，5G通信、人工智能、新能源汽車蓬勃發(fā)展，海量設(shè)備催生的高效散熱剛需，將成為強(qiáng)勁驅(qū)動(dòng)力，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)壯大。
2024年12月24日，中國(guó)粉體網(wǎng)將在河南·鄭州舉辦“2024半導(dǎo)體行業(yè)用金剛石材料技術(shù)大會(huì)”。屆時(shí)，我們邀請(qǐng)到安徽碳索芯材科技有限公司董事長(zhǎng)李高金出席本次大會(huì)并作題為《金剛石在散熱領(lǐng)域內(nèi)的多形態(tài)應(yīng)用》的報(bào)告，李高金董事長(zhǎng)將為您具體介紹金剛石散熱材料的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，指出技術(shù)進(jìn)步和市場(chǎng)需求將是推動(dòng)其發(fā)展的關(guān)鍵因素。
個(gè)人簡(jiǎn)歷：
李高金，畢業(yè)于吉林大學(xué)計(jì)算機(jī)輔助工程專業(yè)/長(zhǎng)春工程學(xué)院珠寶鑒定專業(yè)，安徽碳索芯材科技有限公司董事長(zhǎng)。曾多次拜訪卡耐基實(shí)驗(yàn)室，成為國(guó)內(nèi)極少數(shù)掌握MPCVD核心技術(shù)者，組建并帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出自己的CVD設(shè)備。成功制備CVD金剛石。成為MPCVD金剛石材料領(lǐng)域?qū)＜摇?/span>
參考來(lái)源：
鄧世博等：金剛石基材料及其表面微通道制備技術(shù)在高效散熱中的應(yīng)用
超硬材料工程：CVD金剛石比傳統(tǒng)散熱材料好在哪
碳索芯材公眾號(hào)
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/留白）
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