【原创】金刚石在散热领域内的多形态应用

中国粉体网讯  随着电子产品向更高集成化、小型化、智能化进展，电子元器件面临功率增加和热流密度上升的挑战。此外，半导体技术的快速发展，特别是在新能源、电子、航空航天等领域的不断创新，导致热量产生急剧增加。散热成为限制高功率设备发展的关键因素。金刚石，以其最高热导率，得益于CVD技术进步，成为热管理的理想材料。其卓越的热导能力不仅提高了电子元器件的使用寿命，也显著增强了器件性能和效率。

金刚石物理特性

超高热导率：金刚石的超高热导率是由其内部声子，即晶体中的振动能量波，有效传递热能所致。金刚石的热导率室温下可达2000 W/m·K以上，远超铜、铝等传统散热金属材料（铜的热导率约为400 W/m·K），能够极为高效地传导热量，确保热量迅速从发热源散发。

电绝缘性：这一特性使得金刚石在电子电路密布的电子设备散热场景中优势尽显，既能实现出色散热效果，又能有效避免因导电性引发的短路等电路故障问题，保障设备安全、稳定运行。

化学稳定性：金刚石可耐受酸、碱、高温、高压等多种恶劣环境侵蚀，在航空航天的极端工况以及工业生产的复杂化学环境里，依然能够稳定发挥散热功效，极大拓宽了其适用范围。

金刚石不同形态及应用

单晶金刚石：内部原子排列规则有序，晶格缺陷极少，具备极高的热导率，多被用作高端散热片，应用于对散热要求极高、精度要求严苛的军事雷达、量子计算芯片等核心设备，保障设备运行时热量精准、快速散发。

多晶金刚石：由众多细小金刚石晶粒组成，成本相对单晶金刚石较低，加工灵活性强。在功率半导体器件如IGBT模块中，充当散热基板，紧密贴合芯片背面，高效导出热量；在高功率LED照明领域，作为热传导板或封装材料，降低光衰、延长灯具使用寿命；还可用于激光二极管热沉，助力提升激光输出功率与稳定性。

图源：碳索芯材公众号

金刚石微粉：粒径微小，常通过特殊工艺与金属、陶瓷等材料复合，制成散热膏、散热涂层等产品。散热膏填充在发热元件与散热器间的缝隙，减少接触热阻；散热涂层则可直接涂覆在设备表面，实现大面积散热，广泛应用于电脑CPU散热器、手机散热模组等消费电子领域。

金刚石散热材料具体应用实例

电子设备领域：以智能手机为例，随着芯片运算速度加快、5G模块功耗增加，机身发热愈发严重。采用金刚石微粉复合散热材料的散热模组，能让手机在高负荷运行时温度降低10-15℃，避免因过热导致的降频卡顿现象，保障流畅使用体验。

航空航天领域：卫星电子设备长期处于真空、高低温交变环境，传统散热材料性能受限。金刚石散热材料凭借耐高温、化学稳定特性，作为卫星核心控制器件的散热保障，维持设备稳定运行，提升卫星可靠性与在轨寿命；航天飞行器的机载雷达系统，借助金刚石出色散热能力，保障雷达长时间高功率工作，精准探测目标。

汽车行业：电动汽车电池快充时发热剧烈，多晶金刚石散热基板用于电池模组，加速热量散发，提升充电安全性与速度；汽车发动机控制单元（ECU）采用金刚石散热涂层，抵御发动机舱高温环境，确保ECU稳定工作，精准调控发动机工况。

其他工业领域：工业激光器工作时产生大量废热，金刚石热沉有效冷却激光介质，提升激光输出质量与稳定性；大型数据中心服务器，为防止因过热宕机，选用含金刚石成分的散热组件，保障数据存储、运算的持续高效进行。

图源：碳索芯材公众号

金刚石散热材料结构设计与性能优化策略

结构设计：采用多层复合结构，将金刚石与铜、铝等金属搭配，利用金属良好延展性、加工性弥补金刚石脆性，形成互补协同的散热结构体；设计微通道散热结构，在金刚石散热片中加工微米级通道，让冷却液直接流经带走热量，大幅提升散热效率；通过3D打印等先进工艺，定制个性化、异形的金刚石散热部件，贴合复杂设备结构。

性能优化：通过化学气相沉积（CVD）技术精准调控金刚石生长参数，减少内部缺陷、提升晶体质量，进而增强热导率；表面改性处理，如镀金属膜，改善金刚石与其他材料界面结合力，降低接触热阻；掺杂特定元素，微调金刚石电学性能，使其适配不同散热场景需求。

展望未来，金刚石散热材料发展态势向好，前景广阔。在技术上，CVD技术革新有望实现大面积、高质量单晶金刚石低成本制备，新型掺杂、复合技术也将赋予其更多功能，满足多元散热需求；在应用中，材料与柔性电子、生物医疗等新兴领域深度融合，催生出可穿戴柔性散热器件、植入式医疗设备散热部件等创新成果；在市场里，5G通信、人工智能、新能源汽车蓬勃发展，海量设备催生的高效散热刚需，将成为强劲驱动力，推动产业规模持续壮大。

2024年12月24日，中国粉体网将在河南·郑州举办“2024半导体行业用金刚石材料技术大会”。届时，我们邀请到安徽碳索芯材科技有限公司董事长李高金出席本次大会并作题为《金刚石在散热领域内的多形态应用》的报告，李高金董事长将为您具体介绍金刚石散热材料的未来发展趋势，指出技术进步和市场需求将是推动其发展的关键因素。

个人简历：

李高金，毕业于吉林大学计算机辅助工程专业/长春工程学院珠宝鉴定专业，安徽碳索芯材科技有限公司董事长。曾多次拜访卡耐基实验室，成为国内极少数掌握MPCVD核心技术者，组建并带领团队成功研发出自己的CVD设备。成功制备CVD金刚石。成为MPCVD金刚石材料领域专家。

参考来源：

邓世博等：金刚石基材料及其表面微通道制备技术在高效散热中的应用

超硬材料工程：CVD金刚石比传统散热材料好在哪      

碳索芯材公众号

（中国粉体网编辑整理/留白）

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