金刚石材料：高效散热的新选择

发布时间：2024-11-15 15:58:19 | 浏览量： 27次

在电子产品日益追求高性能、轻薄化的今天，终端产品对性能要求的不断提升，发热量和散热表现已经成为半导体设计中不可忽视的重要因素。在这一背景下，金刚石材料凭借其卓越的热导率和物理特性，成为了散热领域的新宠。


传统散热材料的局限性

传统的散热材料，如石墨片、石墨烯等，虽然在一定程度上能够满足散热需求，但随着电子产品功率和集成密度的不断提高，它们的局限性也日益凸显。石墨片散热膜产品较厚，热导率有限，难以满足未来高功率、高集成密度器件的散热需求。因此，寻找具有更高热导率、更轻薄的新材料成为了业界关注的焦点。

金刚石材料的优势

金刚石作为一种碳单质，具有已知最高的热导率、刚度和硬度，同时还具有低膨胀系数和低密度等特性。这些特性使得金刚石成为了一种理想的散热材料。与传统的散热材料相比，金刚石能够显著降低热阻，提高散热效率。

在金刚石材料的合成方面，微波辅助CVD（化学气相沉积）技术是一种有效的方法。通过该技术，可以更好地控制晶粒大小和晶粒界面，从而生成符合特定应用热导率级别所需的高品质高再现性多晶金刚石。目前，CVD金刚石已实现商业化，并提供了不同等级的热导率供选择。



CVD金刚石的应用与成本

CVD金刚石不仅具有卓越的热导率，还具有完全各向同性特征，能够强化各方向上的热量扩散。这使得CVD金刚石在散热领域具有广泛的应用前景。同时，CVD金刚石已实现量产，且成本相对较低。对于常见的厚度和尺寸应用，金刚石散热器的增量成本仅为几美元，但能够大幅降低系统成本。例如，通过提高系统运行温度，可以降低冷却子系统的初始成本和持续运行成本。

综上所述，金刚石材料凭借其卓越的热导率和物理特性，在散热领域展现出了巨大的应用潜力。随着技术的不断进步和成本的进一步降低，金刚石散热器有望成为未来电子产品散热的主流解决方案。

要合成适用于热管理领域的金刚石，首要步骤是选定最合适的合成技术。微波辅助化学气相沉积（CVD）技术因其对晶粒尺寸及晶粒界面的卓越控制能力，能够生产出满足特定热导率要求的高品质且高度一致的多晶金刚石。目前，CVD金刚石已实现商业化，且有不同等级功率设备可供选择。CVD金刚石还具有完全各向同性特征，强化各方向上的热量扩散。

在量产方面，CVD金刚石不仅产量可观，而且成本相对较低。对于未经金属化处理的CVD金刚石散热器，其批量生产成本约为1美元/立方毫米，价格差异主要取决于热导率等级。针对厚度通常在0.25至0.40毫米之间、横向尺寸与晶片相当的应用场景，射频器件所使用的金刚石散热器体积往往小于5立方毫米。这意味着，在芯片层面仅需增加几美元的额外成本，即可显著削减系统整体成本。举例来说，如果系统能够在更高温度下稳定运行，那么冷却子系统的初期投资及后续运维成本均可得到降低。通过采用适当的芯片粘贴技术，金刚石散热器能够为半导体封装提供一种可靠的热管理方案。

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