金刚石在导热散热领域的重要地位 |
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金刚石在导热散热领域的重要地位
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图1：手机的变迁 5G时代呼啸而来，散热需求日益凸显 5G时代呼啸而来，必然涉及到关键器件的更新换代，小到从核心芯片向射频器件，大到基站端向应用端，全部需要更新换代。随着人们对电子产品轻薄化和性能高效化需求越来越高，半导体元器件功率密度不断提高，热通量也会越来越大，有些甚至高达数十千瓦/平方厘米，是太阳表面的5倍，如何给材料散热降温成为首要难题。
图2：手机产热分析 那么在导热散热领域，材料如何选择？ 导热散热界网红方案 目前，比较热门的散热方案主要有石墨片、石墨烯、导热界面材料（TIM）、热管（HP）和均热板（VC）以及半固态压铸件。而天然石墨散热膜产品较厚，且热导率不高，难以满足未来高功率、高集成密度器件的散热需求，同时也不符合人们对超轻薄、长续航等高性能要求。因此，寻找超热导新材料具有及其重要的意义。这就要求这类材料具有极低的热膨胀率，超高热导率，以及轻薄。金刚石、石墨烯等碳材料刚好满足要求，他们具有很高的导热系数，其复合材料是一类极具应用潜力的导热散热材料，目前已经成为人们关注焦点。 金刚石导热散热的优异性 金刚石作为上述材料的代表，是自然界中热导率最高的物质，常温下热导率(Type Ⅱ Diamond)可达2000 W/(mK)，热膨胀系数约(0.86±0.1)*10-5/K，且室温下绝缘。另外，金刚石还具有优异的力学、声学、光学、电学和化学性质，使其在高功率光电器件散热问题上具有明显优势，这也表明了金刚石在散热领域具有巨大的应用潜力。 表：金刚石的导热率（Wm-1k-1）
金刚石导热原理 金刚石是立方晶体，由碳原子通过共价键结合形成。金刚石的许多极致属性都是形成刚性结构的sp³共价键强度和少量碳原子作用下的直接结果。金属通过自由电子传导热量，其高热传导性与高导电性相关联，相比之下，金刚石中的热量传导仅由晶格振动（即声子）完成。金刚石原子之间极强的共价键使刚性晶格具有高振动频率，因此其德拜特征温度高达2,220 K。由于大部分应用远低于德拜温度，声子散射较小，因此以声子为媒介的热传导阻力极小。但任何晶格缺陷都会产生声子散射，从而降低热传导性，这是所有晶体材料的固有特征。金刚石中的缺陷通常包括较重的ˡ³C同位素、氮杂质和空缺等点缺陷，堆垛层错和位错等扩展缺陷以及晶界等2D缺陷。 未来散热方向在哪里？ 对于半导体而言，发热仍然是一个正常且无法回避的问题，那么热管理技术有哪些最新趋势？如何协调各种材料、工艺的设计应用？ 2019年11月27日，Carbontech 2019 Workshop系列活动将邀请代表性企业及专家团队，与您相约上海，共同探讨先进碳材料在导热散热领域的机遇和发展之路。 金刚石论坛部分参考话题 金刚石和碳基薄膜材料在高端制造加工应用分论坛 金刚石行业宏观现状 1 高温高压合成超硬材料现状解读 2 中国超硬材料行业发展现状及趋势解读 3 人造金刚石珠宝市场发展解读 …… 金刚石（薄膜）功能材料合成新工艺、新思路 1 高温高压合成超硬材料现状解读 2 大腔体静高压技术的发展与相关问题研究 3 大单晶金刚石合成设备及新工艺分享 4 CVD法合成金刚石及掺杂工艺介绍 5 大面积、高质量金刚石薄膜合成工艺 6 纳米（聚晶）金刚石制备工艺介绍 7 高质量金刚石微粉生产及现状介绍 8 金刚石复合片的异型加工工艺介绍 9 CBN工具的开发及应用 …… 金刚石制品及下游应用 1 天然、单晶、多晶、聚晶金刚石刀具的开发及应用 2 金刚石线锯的开发及在光伏、宝石加工、磁性材料，精密陶瓷领域的应用 3 金刚石磨粒、磨具及研磨液在精密磨削、研磨、抛光中的应用 4 金刚石刀具在轴承、汽车零部件、复合材料加工领域的应用 5 金刚石涂层在拉丝模、刀具、红外窗口中的应用 6 金刚石工具（刀具、磨具等）在3C产品中的应用 …… 纳米金刚石功能材料和器件分论坛 半导体等功能器件 1 金刚石器件整体研究状况解读 2 金刚石半导体的新进展 3 金刚石和SiC衬底散热技术在GaN的中的应用 4 金刚石量子传感技术 5 金刚石衬底研究 6 纳米金刚石的掺杂及其光电性能研究 7 透过纳米晶金刚石薄膜提升碳纳米管之电子场发射特性 8 金刚石在电子封装和相变储热领域的研究进展 9 金刚石紫外探测器 10 金刚石射频生长技术 11 金刚石氮空穴色心研究 12 金刚石磁性传感器及功率器件 13 纳米金刚石的改性及其在催化反应中的应用研究 14 金刚石高导热散热涂层的开发及应用 …… 环保和生物医用 1 高温高压合成超硬材料现状解读 2 纳米金刚石在肿瘤药物中的应用 3 纳米金刚石在基因传输和治疗中的应用 4 纳米金刚石生物探针的开发及应用 5 人造（类）金刚石手术刀具等医疗器械中的开发及应用 6 类金刚石在生物医学（心血管支架、心脏瓣膜等）上的应用 …… Workshop系列活动
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