材料的散熱需求日益凸顯

       隨著科技的不斷發(fā)展，越來越多的大功率電器和大功率微電子元件逐漸出現(xiàn)，以及人們對電子產(chǎn)品輕薄化和性能高效化需求越來越高，半導(dǎo)體元器件功率密度不斷提高，熱通量也會越來越大，普通的散熱材料已經(jīng)不能很好地解決散熱問題，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，難以滿足未來高功率、高集成密度器件的散熱需求，同時也不符合人們對超輕薄、長續(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

       面對傳統(tǒng)封裝材料的各種限制，發(fā)展出來各種新型散熱材料，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，對于I、II型的金剛石是通過金剛石的紫外和紅外吸收光譜的不同來區(qū)分的，而a、b類是通過電子順磁共振吸收的不同來區(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)，每個碳原子都是以SP3雜化軌道與另外4個碳原子形成共價鍵，構(gòu)成正四面體，因?yàn)樗械膬r電子都被限制在共價鍵區(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（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聲子的散射決定。金剛石中的雜質(zhì)元素、位錯和裂紋等晶體缺陷，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)越簡單、雜質(zhì)較少時，聲子運(yùn)動就越快，傳熱速率也就越快。這是由于第二組分和雜質(zhì)的引入會引起晶格扭曲、畸變和位錯，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。

       以前購買鉆石時，有人會用舌尖舔一下，如果感覺舌尖涼涼的，就是真鉆；如果暖暖的，就只是玻璃。這個過程其實(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，這也表明了金剛石在散熱領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。