中國粉體網(wǎng)訊 不知什么時(shí)候，越來越多電子產(chǎn)品開始以“發(fā)燒”標(biāo)榜自己。一開始，“發(fā)燒”是想凸顯產(chǎn)品的高性能，可到了后來，卻變成了消費(fèi)者調(diào)侃產(chǎn)品溫度過高的貶義詞。
隨著終端產(chǎn)品對(duì)輕薄化和高效化的要求提升，半導(dǎo)體方案的發(fā)展方向已不僅僅是提升性能而已，發(fā)熱量和散熱表現(xiàn)也成為半導(dǎo)體設(shè)計(jì)中相當(dāng)重要的因素。發(fā)熱量主要和芯片制造工藝和溫度控制算法有關(guān)，而散熱表現(xiàn)則可以在材料和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上下功夫。
在導(dǎo)熱散熱領(lǐng)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(dǎo)熱界面材料、熱管和均熱板以及半固態(tài)壓鑄件。而天然石墨散熱膜產(chǎn)品較厚，且熱導(dǎo)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(shí)也不符合人們對(duì)超輕薄、長(zhǎng)續(xù)航等高性能要求。因此，尋找超熱導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)，其復(fù)合材料是一類極具應(yīng)用潛力的導(dǎo)熱散熱材料，目前已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。
金剛石比傳統(tǒng)散熱材料好在哪？
金剛石具有“碳單質(zhì)”特性包括已知最高的熱導(dǎo)率、剛度和硬度，同時(shí)在較大波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有高光學(xué)傳輸特性、低膨脹系數(shù)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(yīng)用材料。
高導(dǎo)熱金剛石 圖源：長(zhǎng)沙墨本新材料
要合成熱管理應(yīng)用所需金剛石，第一步是選擇最恰當(dāng)?shù)暮铣杉夹g(shù)。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(yīng)用熱導(dǎo)率級(jí)別所需的高品質(zhì)高再現(xiàn)性多晶金剛石。目前，CVD金剛石已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，有1000-2000W/m·K不同等級(jí)熱導(dǎo)率可供選擇。CVD金剛石還具有完全各向同性特征，強(qiáng)化各方向上的熱量擴(kuò)散。
CVD金剛石與“傳統(tǒng)”散熱材料熱導(dǎo)率對(duì)比
CVD金剛石已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，且成本較低。未經(jīng)金屬化處理的CVD金剛石散熱器批量生產(chǎn)成本為1美元/立方毫米，價(jià)格主要取決于熱導(dǎo)率等級(jí)。對(duì)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(yīng)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(tǒng)成本。例如，若能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在更高溫度下運(yùn)行，則冷卻子系統(tǒng)的初始成本和之后的持續(xù)運(yùn)行成本均可降低。采用適當(dāng)?shù)男酒迟N方法，金剛石散熱器可為半導(dǎo)體封裝提供可靠的熱管理解決方案。
金剛石導(dǎo)熱原理
金剛石是立方晶體結(jié)構(gòu)，每個(gè)碳原子都是以SP3雜化軌道與另外4個(gè)碳原子形成共價(jià)鍵，構(gòu)成正四面體，因?yàn)樗械膬r(jià)電子都被限制在共價(jià)鍵區(qū)域，沒有自由電子，所以金剛石不導(dǎo)電。高熱傳導(dǎo)性與高導(dǎo)電性相關(guān)聯(lián)，不同于金屬依靠外圍電子進(jìn)行傳熱，金剛石的熱導(dǎo)性能基本上來自碳原子振動(dòng)（即聲子）的傳播。
金剛石的晶體結(jié)構(gòu)
聲子平均自由程由聲子間的相互碰撞和固體中缺陷對(duì)聲子的散射決定。金剛石中的雜質(zhì)元素、位錯(cuò)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(huì)與聲子發(fā)生碰撞使其發(fā)生散射，從而限制了聲子的平均自由程，降低熱導(dǎo)率。
當(dāng)物質(zhì)的成分越單純、結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單、雜質(zhì)較少時(shí)，聲子運(yùn)動(dòng)就越快，傳熱速率也就越快。這是由于第二組分和雜質(zhì)的引入會(huì)引起晶格扭曲、畸變和位錯(cuò)，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(jié)構(gòu)也十分簡(jiǎn)單，Ia、Ib、IIa及 IIb4種鉆石中，IIa最純凈、雜質(zhì)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(chǎng)強(qiáng)、低介電常數(shù)、低熱膨脹等特點(diǎn)，其在高功率光電器件散熱問題上具有明顯優(yōu)勢(shì)，這也表明了金剛石在散熱領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。
參考來源：
1.長(zhǎng)沙墨本新材料官網(wǎng)，超硬材料網(wǎng)
2.杜建宇等.基于金剛石的先進(jìn)熱管理技術(shù)研究進(jìn)展.電子與封裝
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/輕言）
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