美國佐治亞技術(shù)研究所（GTRI）的工作人員近日發(fā)明了一種摻銀的金剛石固態(tài)復(fù)合材料，其優(yōu)越的熱傳導(dǎo)性能在微電子設(shè)備應(yīng)用中嶄露頭角，這種材料的熱傳導(dǎo)性要比普通的熱傳導(dǎo)設(shè)備高出一個(gè)質(zhì)的級別。         該研究致力于一種超薄型、不足250微米的摻銀金剛石導(dǎo)熱墊片的研發(fā)。通過調(diào)整金剛石和銀的成分比例，利用較低的熱膨脹應(yīng)力將墊片固結(jié)在大功率寬帶隙的半導(dǎo)體上，這一設(shè)備可應(yīng)用于未來的相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)。

        大功率的半導(dǎo)體通常需要導(dǎo)熱墊片將熱量傳遞到鱗狀、扇狀或管狀的散熱片上進(jìn)行散熱，從而降低器件溫度。由于半導(dǎo)體通常都裝配在非常狹小密閉的空間內(nèi)，導(dǎo)熱墊片材料的選擇就需要有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，同時(shí)還不能過多地占用空間。

        金剛石具有出色的熱傳導(dǎo)性能，而銀的摻入則使金剛石顆粒能夠懸浮在復(fù)合材料中，從而使其熱傳導(dǎo)率比銅高出了將近25%。目前，這種摻銀金剛石復(fù)合材料在熱傳導(dǎo)和熱膨脹兩個(gè)重要領(lǐng)域都得到了成功的試驗(yàn)應(yīng)用。

        主持研究項(xiàng)目的Jason Nadler說，利用這種摻銀金剛石復(fù)合材料，器件的溫度從285℃降至181℃。該墊片樣例含50%的金剛石，僅250微米大小。此外，科學(xué)家們還嘗試將墊片樣例中金剛石成分增加至85%，依然保持低于250微米的厚度；結(jié)果顯示，增加了金剛石成分比例的墊片的導(dǎo)熱性能大大增加。

        Nadler還補(bǔ)充道：目前，還沒有哪一種物質(zhì)材料的導(dǎo)熱性能和厚度尺寸能和這種摻銀的金剛石復(fù)合材料相媲美；其技術(shù)應(yīng)用前景十分廣闊。

天然的熱導(dǎo)體

        金剛石是一種天然的熱導(dǎo)體材料，熱導(dǎo)率可高達(dá)2000W/(m•K)；而銀是熱導(dǎo)體性能最好的金屬材料之一，熱導(dǎo)率為400 W/(m•K)。在金剛石中摻銀在以下四個(gè)方面有著非常重要的意義：

① 有助于將松散的金剛石顆粒固結(jié)在穩(wěn)定的基體上

② 對于尺寸精度要求較高的零件，可以進(jìn)行精密切割

③ 能夠很好地將銀本身的熱膨脹和待冷卻降溫的半導(dǎo)體設(shè)備的熱膨脹相匹配

④ 在金剛石顆粒之間創(chuàng)造一個(gè)更有效的散熱界面

        Nadler和他的團(tuán)隊(duì)利用金剛石顆粒進(jìn)行鑄模。但像一盤散沙似的金剛石顆粒無法很好的聚集在一起，因此，工作人員利用銀基體，這種柔軟、延展且有粘性的材料來使得金剛石顆粒聚集，并制成了穩(wěn)定的復(fù)合材料。

        此外，延展性良好的銀基體完全包圍著金剛石顆粒，這種結(jié)構(gòu)對于尺寸精度要求高的零件諸如導(dǎo)熱墊片可以進(jìn)行精密切割，從而使這些零件穩(wěn)固地跟其他界面諸如半導(dǎo)體結(jié)合在一起。

熱膨脹系數(shù)的調(diào)整

        任何物質(zhì)受熱后都會依照其本身固有的速率發(fā)生膨脹，科學(xué)家們將其定義為膨脹的系數(shù)，稱之為CTE（熱膨脹系數(shù)）。

        當(dāng)質(zhì)材不同的結(jié)構(gòu)，如寬帶隙半導(dǎo)體和導(dǎo)熱墊片要結(jié)合在一起時(shí)，對這兩種材料的熱膨脹系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一就非常的必要。否則，熱膨脹系數(shù)不一樣的復(fù)合固結(jié)材料很容易分離開來。

        金剛石的熱膨脹系數(shù)僅2 ppm/K，而制造寬帶隙半導(dǎo)體的材料諸如碳化硅、氮化鎵的熱膨脹系數(shù)就高達(dá)3~5 ppm/K。

        鑒于此，GTRI團(tuán)隊(duì)的工作者就將熱膨脹系數(shù)為20 ppm/K的銀添加至金剛石顆粒中，通過調(diào)整金剛石和銀的比例成分從而使這種復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)跟寬帶隙半導(dǎo)體材料的熱膨脹系數(shù)保持一致。在加熱和冷卻過程中通過對金剛石和銀的熱膨脹系數(shù)的匹配調(diào)整，研究者們成功將這兩種材料固結(jié)在一起。

        金屬通過移動電子來導(dǎo)熱，而金剛石則是通過聲子來導(dǎo)熱。在金剛石顆粒中摻入銀則可以幫助聲子在顆粒間移動并提高熱傳導(dǎo)率。

       在導(dǎo)熱墊片的面板中高效穩(wěn)定的填充金剛石顆粒是一項(xiàng)技術(shù)性挑戰(zhàn)。目前，Nadler的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)構(gòu)建并研制出了圖像分析法和相應(yīng)工具，對他們的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物進(jìn)行結(jié)構(gòu)形態(tài)分析；以此來幫助他們研究這種復(fù)合材料中的金剛石顆粒分布情況以及銀是如何包圍在金剛石周圍的。（編譯自“Taking the Heat: Silver-Diamond Composite Offers Unique Capabilities for Cooling Powerful Defense Microelectronics”；翻譯：王現(xiàn)）