中國粉體網(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，以其最高熱導率，得益于CVD技術(shù)進步，成為熱管理的理想材料。其卓越的熱導能力不僅提高了電子元器件的使用壽命，也顯著增強了器件性能和效率。
金剛石物理特性
超高熱導率：金剛石的超高熱導率是由其內(nèi)部聲子，即晶體中的振動能量波，有效傳遞熱能所致。金剛石的熱導率室溫下可達2000 W/m·K以上，遠超銅、鋁等傳統(tǒng)散熱金屬材料（銅的熱導率約為400 W/m·K），能夠極為高效地傳導熱量，確保熱量迅速從發(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)備散熱場景中優(yōu)勢盡顯，既能實現(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題，保障設(shè)備安全、穩(wěn)定運行。
化學穩(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)的復雜化學環(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，具備極高的熱導率，多被用作高端散熱片，應(yīng)用于對散熱要求極高、精度要求嚴苛的軍事雷達、量子計算芯片等核心設(shè)備，保障設(shè)備運行時熱量精準、快速散發(fā)。
多晶金剛石：由眾多細小金剛石晶粒組成，成本相對單晶金剛石較低，加工靈活性強。在功率半導體器件如IGBT模塊中，充當散熱基板，緊密貼合芯片背面，高效導出熱量；在高功率LED照明領(lǐng)域，作為熱傳導板或封裝材料，降低光衰、延長燈具使用壽命；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
金剛石微粉：粒徑微小，常通過特殊工藝與金屬、陶瓷等材料復合，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，實現(xiàn)大面積散熱，廣泛應(yīng)用于電腦CPU散熱器、手機散熱模組等消費電子領(lǐng)域。
金剛石散熱材料具體應(yīng)用實例
電子設(shè)備領(lǐng)域：以智能手機為例，隨著芯片運算速度加快、5G模塊功耗增加，機身發(fā)熱愈發(fā)嚴重。采用金剛石微粉復合散熱材料的散熱模組，能讓手機在高負荷運行時溫度降低10-15℃，避免因過熱導致的降頻卡頓現(xiàn)象，保障流暢使用體驗。
航空航天領(lǐng)域：衛(wèi)星電子設(shè)備長期處于真空、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)定運行，提升衛(wèi)星可靠性與在軌壽命；航天飛行器的機載雷達系統(tǒng)，借助金剛石出色散熱能力，保障雷達長時間高功率工作，精準探測目標。
汽車行業(yè)：電動汽車電池快充時發(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)動機控制單元（ECU）采用金剛石散熱涂層，抵御發(fā)動機艙高溫環(huán)境，確保ECU穩(wěn)定工作，精準調(diào)控發(fā)動機工況。
其他工業(yè)領(lǐng)域：工業(yè)激光器工作時產(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，為防止因過熱宕機，選用含金剛石成分的散熱組件，保障數(shù)據(jù)存儲、運算的持續(xù)高效進行。
圖源：碳索芯材公眾號
金剛石散熱材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能優(yōu)化策略
結(jié)構(gòu)設(shè)計：采用多層復合結(jié)構(gòu)，將金剛石與銅、鋁等金屬搭配，利用金屬良好延展性、加工性彌補金剛石脆性，形成互補協(xié)同的散熱結(jié)構(gòu)體；設(shè)計微通道散熱結(jié)構(gòu)，在金剛石散熱片中加工微米級通道，讓冷卻液直接流經(jīng)帶走熱量，大幅提升散熱效率；通過3D打印等先進工藝，定制個性化、異形的金剛石散熱部件，貼合復雜設(shè)備結(jié)構(gòu)。
性能優(yōu)化：通過化學氣相沉積（CVD）技術(shù)精準調(diào)控金剛石生長參數(shù)，減少內(nèi)部缺陷、提升晶體質(zhì)量，進而增強熱導率；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)金剛石電學性能，使其適配不同散熱場景需求。
展望未來，金剛石散熱材料發(fā)展態(tài)勢向好，前景廣闊。在技術(shù)上，CVD技術(shù)革新有望實現(xiàn)大面積、高質(zhì)量單晶金剛石低成本制備，新型摻雜、復合技術(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，將成為強勁驅(qū)動力，推動產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)壯大。
2024年12月24日，中國粉體網(wǎng)將在河南·鄭州舉辦“2024半導體行業(yè)用金剛石材料技術(shù)大會”。屆時，我們邀請到安徽碳索芯材科技有限公司董事長李高金出席本次大會并作題為《金剛石在散熱領(lǐng)域內(nèi)的多形態(tài)應(yīng)用》的報告，李高金董事長將為您具體介紹金剛石散熱材料的未來發(fā)展趨勢，指出技術(shù)進步和市場需求將是推動其發(fā)展的關(guān)鍵因素。
個人簡歷：
李高金，畢業(yè)于吉林大學計算機輔助工程專業(yè)/長春工程學院珠寶鑒定專業(yè)，安徽碳索芯材科技有限公司董事長。曾多次拜訪卡耐基實驗室，成為國內(nèi)極少數(shù)掌握MPCVD核心技術(shù)者，組建并帶領(lǐng)團隊成功研發(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
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/留白）
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