材料的散熱需求日益凸顯

       隨著科技的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的大功率電器和大功率微電子元件逐漸出現(xiàn)，以及人們對(duì)電子產(chǎn)品輕薄化和性能高效化需求越來(lái)越高，半導(dǎo)體元器件功率密度不斷提高，熱通量也會(huì)越來(lái)越大，普通的散熱材料已經(jīng)不能很好地解決散熱問(wèn)題，如何給材料散熱降溫成為首要難題。

       那么在導(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(lái)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)。

       金剛石導(dǎo)熱散熱的優(yōu)異性

       面對(duì)傳統(tǒng)封裝材料的各種限制，發(fā)展出來(lái)各種新型散熱材料，它們具有低熱膨脹率以及很輕的質(zhì)量，金剛石作為上述材料的代表，是自然界中熱導(dǎo)率最高的物質(zhì)，人們常說(shuō)金剛石的導(dǎo)熱率是銅的五倍。其實(shí)有各種類型的金剛石，如Ia、Ib、IIa、IIb型等，對(duì)于I、II型的金剛石是通過(guò)金剛石的紫外和紅外吸收光譜的不同來(lái)區(qū)分的，而a、b類是通過(guò)電子順磁共振吸收的不同來(lái)區(qū)分的，不同類型的金剛石其導(dǎo)熱率也不同，就是同一類金剛石的導(dǎo)熱率也不一定相同。金剛石的導(dǎo)熱率與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性和所含雜質(zhì)的種類和含量有關(guān)，在不同溫度下同一類金剛石的導(dǎo)熱率也不一樣，如下表：

金剛石的導(dǎo)熱率（W/mk）

       金剛石的導(dǎo)熱率不是固定的，有一個(gè)變化的范圍，作為金剛石散熱片的主要是IIa型的單晶金剛石和熱導(dǎo)率符合要求的多晶金剛石，熱膨脹系數(shù)約0.8×10-6/K，且室溫下絕緣。

       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(méi)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(lái)自碳原子振動(dòng)（即聲子）的傳播。

       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 IIb 4 種鉆石中，IIa 最純凈、雜質(zhì)最少，因此擁有最高的傳熱速率。

       以前購(gòu)買鉆石時(shí)，有人會(huì)用舌尖舔一下，如果感覺(jué)舌尖涼涼的，就是真鉆；如果暖暖的，就只是玻璃。這個(gè)過(guò)程其實(shí)就是用舌尖當(dāng)作探針，在寶石上做一次熱導(dǎo)率的比較實(shí)驗(yàn)。因?yàn)椴ＡУ臒釋?dǎo)率很小，而真鉆的傳熱速率高達(dá)玻璃的千倍以上，因此感覺(jué)靈敏的舌尖的確很容易分辨兩者的差異。

       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(wèn)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。