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散热王者金刚石，如何助力电子工业起飞

来源：世展网分类：粉体工业行业资讯 2024-01-15 16:03 阅读：8811

2027年上海国际粉体加工与处理展览会POWDEX CHINA

2027-03-24-03-26

距离292天

（一）一”石“多面

金刚石俗称“钻石”，是自然界中最坚硬、热导率最高的物质。金刚石是碳的同素异构体，其碳原子以正四面体排列，每个碳原子通过sp³杂化与另外4个相邻的碳原子形成共价键，金刚石中的C-C键结合力很强，晶体间不存在自由电子，为面心立方结构。金刚石晶体中碳原子之间共价键和方向性的特点使得金刚石具有非常稳定的晶体结构，表面具备明显的化学惰性，难以被一般金属和合金润湿。

图源自pixabay金刚石按照来源可以分为天然金刚石与人造金刚石。目前公认的分类方式是根据金刚石中掺杂氮、硼元素的含量，将金刚石分为Ⅰ型和Ⅱ型两类，并进一步细分为Ⅰa、Ⅰb、Ⅱa、Ⅱb四个亚类。Ⅰ型金刚石均含有一定数量的氮，具有较好的导热性、不良导电性和较好的晶形。Ⅱ型金刚石极为罕见，含极少或几乎不含氮，具良好的导热性和曲面晶体的特点。

图：金刚石的分类及性能特性

（二）散热优势断层式领先

金刚石不只是“钻石之王”，还是散热领域的“王者”。特殊的晶体结构让金刚石具备了许多优异的物理化学性能。金刚石的硬度极高，热膨胀系数很低，电阻率非常高。最突出的是，金刚石具有很高的热导率，在30-650℃时，金刚石是固体物质中热导率最高的晶体。晶体热导率由热容、声子平均自由程、声子速度决定，金刚石晶格非谐振动弱，声子平均自由程长；德拜（Debye）温度高，声子速度快，因此热导率极高。在室温下，金刚石的热导率是铜的5倍，是硅的15倍，相比其他物质具有明显的优势。

图：金刚石等物质热性能

（三）不同种类金刚石的散热方法

1、单晶超高导热金刚石材料单晶金刚石是金刚石材料类别中热导率最高的一种，这与其晶体结构密切相关，主要通过晶格振动即声子导热。单晶金刚石用作散热主要有两种方式。一种是直接用作替代外延衬底，原位生长材料制备器件，通过器件有源区与金刚石紧密接触，利用金刚石超高的热导率将热量均匀分布到衬底中。另一种是在单晶金刚石结构中加入微通道结构，利用流体将内部热量带出，达到降温的目的。想要充分发挥金刚石在众多高精尖技术领域的作用，制备高导热、大尺寸的单晶金刚石是应用的基础。

CVD大单晶金刚石热沉材料（图源晶钻科技）

微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）法是目前被广泛认为合成单晶金刚石的最好方法。哈尔滨工业大学近年来与俄罗斯科学院合作，制备的单晶金刚石热导率达2400 W/mK，并对马赛克（mosaic）拼接单晶金刚石的界面热阻进行了分析(详见下图)。

图：哈尔滨工业大学制备金刚石热导率随温度变化

2、多晶金刚石材料目前，将金刚石作为功率器件的热沉或衬底已经研究出多种技术形式，其中主要有：基于衬底转移技术的金刚石键合，基于金刚石钝化层的低温沉积以及金刚石上的器件外延生长。现阶段，多晶金刚石与Si、GaN、Ga₂O₃等的室温键合已经通过表面活化键合（SAB）技术实现。

CVD多晶金刚石热沉材料（图源晶钻科技）

富士通公司利用极薄Ti膜作为保护层结合SAB技术成果将GaN的SiC衬底和金刚石相结合，避免离子束轰击带来的界面损伤，获得了较低的界面热阻(67 m²·K/GW)。南京电子器件研究所(NEDI)与北京科技大学合作，将直径75mm的氮化镓基高电子迁移率晶体管(GaN HEMTs)外延层转移到多晶金刚石衬底上，但该技术的挑战在于实现大尺寸接合面的极低粗糙度和均匀抛光以及超高真空的要求。3、纳米金刚石材料纳米金刚石材料用作散热一般是作为高热流密度器件钝化层，可在器件表面进行均热，为器件增加一条导热通路，提升器件表面均温性能。氢等离子体对氮化镓具有反应刻蚀作用，导致器件直接沉积金刚石的方法需要低温条件并且需要耐氢设计。在耐氢保护层表面，金刚石需要均匀高密度形核，同时需要高定向排列，以提升金刚石钝化层整体导热能力。哈尔滨工业大学与中国电子科技集团有限公司55所合作，研制纳米金刚石钝化GaN器件，在600℃制备晶粒尺寸可控纳米金刚石钝化层，实现高导热金刚石层对器件表面的全覆盖，但仍存在纳米金刚石热导率相比单晶热导率较差，散热效果有限的问题，仍有进一步探索的空间。

（四）助力电子工业散热突破

金刚石被认为是一种能够满足飞速发展的电子工业的理想热管理材料。1963年12月6日，我国第一颗人造金刚石研制成功，六十年以来，国内人造金刚石的产量逐年增加，小到家庭，大到微电子及航空航天等高科技领域，应用十分广泛。如今，单晶金刚石晶圆已成为人工智能、云计算芯片、电动汽车电力电子和无线通信芯片的终极新技术组件。金刚石典型的热管理应用场景包括：金刚石增强金属封装材料（Diamond/Cu、Diamond/Al）、热沉片、金刚石衬底GaN器件等。

金刚石导热片（图源晶钻科技）

金刚石基热沉应用于激光器的散热系统，可以实现高效的热量传输和散热，降低激光器的工作温度，提高激光器的稳定性和寿命。金刚石作为半导体器件封装材料，具有电子封装所必需的优质性能，如高的热导率、低介电常数、高电阻和高击穿场强等。将金刚石薄膜直接沉积在具有高热导率的金属材料、复合材料或者单晶硅衬底上，或者直接将它制成无需支撑的金刚石薄膜片，再把它粘结到所需的电子封装上，CVD金刚石薄膜在封装领域的应用中展示出很好的前景。

金刚石热沉电子器件（图源晶钻科技）

小结

小型化轻量化的电子器件发展需求引领着散热材料和散热方案的改变，轻质高热导率成为散热材料的发展目标，金刚石已成为最优选择之一。针对半导体行业的需求，金刚石生长的“大、纯、快”是目前遇到的难点，超高导热金刚石材料虽然提升了散热效果，但实际应用中仍存在诸多难题，例如单晶外延GaN材料仍无法大面积实现，大尺寸多晶金刚石的键合及纳米金刚石钝化在器件中的性能受界面热阻的影响较大。如果解决了制备大尺寸单晶晶圆，高纯电子级金刚石的可控生长等难点，那么金刚石产业发展将会掀开新的篇章。

参考来源：[1]Cu-B_diamond复合材料的制备、结构与性能[2]微波等离子体化学气相沉积法合成高导热金刚石材料及器件应用进展[3]电子封装用金刚石复合材料的制备及导热性能研究

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2024高导热材料与应用技术大会

在新能源汽车以及储能领域，随着电池的能量密度越来越高，对散热的要求也越来越高。高温会对电池的性能和可靠性带来不利影响，甚至会引发安全性问题。目前普遍认为，开发高导热材料是解决以上问题的关键。另外，在未来人工智能领域，ChatGPT技术的推广将进一步催生AI算力等大规模应用场景的普及，大型算力中心将对服务器机柜、电池柜、传输等设施设备提出更广阔、更严格的散热需求。由此可见，高导热材料将在众多新兴领域和未来市场有着非常乐观的发展前景。在此背景下，中国粉体网将于2024年5月29-30日举办2024高导热材料与应用技术大会，大会旨在搭建导热材料领域技术交流、信息互通的沟通平台，促进导热材料行业技术与产业发展突破。大会热诚欢迎国内外相关领域的专家、学者、科研人员、企业界代表积极参会，同时欢迎公司、企事业单位展示技术成果，洽谈产、学、研合作。会务组联系人：刘文宝手机：961（同微信）邮箱：