金刚石复合材料：散热与电子封装的新星

中国粉体网讯  随着具有高功率密度的高性能电子器件的快速发展，高效散热正成为日益关键的问题。金刚石复合材料得到了广泛的关注，被认为是下一代散热器和电子封装材料最具竞争力的候选材料。金刚石的晶体结构是非常稳定的共价键立方晶系，这种均匀、高度有序的晶体结构使金刚石具有高度的硬度和稳定性。金刚石单晶的热导率可达到2000W/mK，远远超过传统导热材料，其在高温环境中也能够保持出色的导热性能。然而，由于金刚石的高成本和脆性，单一应用受到了一定的限制。因此，通过将金刚石与其他材料复合，以获得更为经济、实用且具有可塑性的材料，成为当前研究的热点之一。

金刚石复合材料的种类

（一）金属基金刚石复合材料

金属基体与金刚石的组合应用广泛。铝基金刚石复合材料因铝具有质量轻、一定导电性及导热性的特点，加入金刚石微粒后，硬度与耐磨性显著提高。在航空航天领域，常用于制造飞行器机翼边缘防护件、卫星精密仪器支架，既能减轻重量，又可耐受微流星体撞击及太空复杂环境造成的磨损；铜基金刚石复合材料充分利用铜优良的热传导性能，多用于电子设备散热，像电脑CPU散热鳍片、5G基站功率模块散热器等，能够有效驱散热量，使设备维持低温运行状态，确保电子元件稳定工作。

金属基金刚石复合材料  图源：海特信科官网

（二）陶瓷基金刚石复合材料

陶瓷基体为复合材料带来耐高温、化学稳定性强的特性。碳化硅基金刚石复合材料硬度极高，接近天然金刚石，制成切削刀具后，可用于切削高硬度合金钢、陶瓷材料，利于提升加工精度与效率。此外，金刚石/碳化硅复合材料还可以用于半导体基板、电阻器、热敏电阻等电子元件等；氮化硼基金刚石复合材料热稳定性突出，适用于高温炉衬里、半导体制造热场部件，能承受上千摄氏度高温，保持结构完整，保障生产流程正常进行。

（三）聚合物基金刚石复合材料

柔性聚合物与坚硬金刚石的组合有独特用途。环氧树脂基金刚石复合材料制成的耐磨涂层，常用于汽车发动机活塞表面、工业传送链条，可减少摩擦损耗，延长设备使用寿命；聚酰亚胺基金刚石复合板材兼具柔韧性、绝缘性及耐磨性，应用于柔性电子显示屏、可穿戴设备关键部位，能保护内部元件，适应反复弯折、拉伸的工况。

（四）碳基复合金刚石材料

碳纤维增强金刚石复合材料借助碳纤维高强度、高模量特性，用于网球拍、高尔夫球杆等体育器材时，受力性能良好，击球瞬间能量传递高效，抗变形能力强；碳纳米管-金刚石复合材料电学性能优异，在微型传感器、超级电容器电极领域有应用潜力，纳米尺度下可加速电子转移，提升器件灵敏度与储能效率。

金刚石复合材料的制备方法

（一）粉末冶金法

粉末冶金法是传统的制备路径。先将金刚石粉末与金属、陶瓷粉末依精准比例机械混合，均匀度关乎成品性能。随后将混合粉末装入特制模具，送入高温高压烧结炉。烧结过程中，高温激活粉末原子扩散，高压压实颗粒间距，促使金刚石与基体形成牢固冶金结合。制备镍基超硬合金镶金刚石刀具时，添加适量硼、钛等微量元素作烧结助剂，降低界面能，强化结合力，提升刀具切削韧性。

（二）化学气相沉积（CVD）法

在密闭反应腔室里，气态碳源（甲烷、乙炔等）在高温、等离子体或热丝激发下分解出碳原子。这些碳原子在基体表面沉积、结晶，逐步生长成金刚石薄膜。以硅晶圆为基体制造半导体散热片时，精确调控反应腔温度、气体流量、等离子体功率等参数，确保碳原子均匀沉积，生成高质量、连续致密的金刚石膜，提升芯片散热效率。

（三）电镀法

在含金刚石微粉的电镀液体系中，以待镀金属工件为阴极，惰性电极作阳极。接通直流电后，电镀液里金属离子向阴极迁移、还原析出，裹挟悬浮金刚石颗粒一同沉积在工件表面。汽车模具电镀镍-金刚石复合层时，合理调整电流密度、电镀时间，同时搅拌镀液，让金刚石均匀分散，增强模具脱模性能与耐磨性。

（四）原位合成法

借助化学反应原位生成金刚石并达成复合，自蔓延高温合成（SHS）是典型代表。把金属粉末与碳源按化学计量比混合、压制成坯体，点燃坯体一端，化学反应释放大量热，瞬间营造高温高压环境，促使金刚石成核、生长并嵌入基体。制备发动机缸套时，此方法无需庞大外部热源，高效快捷，契合复杂形状构件批量生产。

金刚石复合材料的应用领域

（一）散热领域

高功率电子器件：金刚石具有极高的热导率，是铜、银的5倍左右，可快速将电子器件产生的热量传导出去。如在半导体激光器中，使用金刚石热沉片能显著提升散热效果，降低热阻，增强输出功率并延长其使用寿命。

5G/6G通信设备：5G/6G通信设备中的射频芯片等部件功率密度高，发热量大。金刚石复合材料制成的散热部件能有效解决这些部件的散热问题，确保设备在高频、高功率运行时的稳定性和可靠性，提升通信质量和效率。

新能源汽车：新能源汽车的动力系统、充电系统等会产生大量热量，金刚石复合材料可用于制造汽车的散热基板、散热片等部件，提高散热效率，延长相关部件的使用寿命，提升汽车的整体性能和安全性。

工业控制领域高功率IGBT模块：在工业控制领域的高功率IGBT模块中，金刚石作为散热材料，有助于实现更高效的散热和更高的功率密度，保障设备的稳定运行。

（二）电子封装领域

封装基板：随着微电子技术向高密度组装、小型化发展，对封装基板的热导率、热膨胀系数等性能要求越来越高。金刚石凭借高热导率、低热膨胀系数和良好的稳定性，成为新一代封装基板材料的关注焦点。通过将金刚石颗粒与Ag、Cu、Al等高导热金属基体复合，制备出的金刚石/金属基复合材料已初步展现出其在电子封装领域的巨大潜力。

导热胶：在电子封装中，导热胶用于填充芯片与封装外壳之间的间隙，提高热量传递效率。将金刚石研磨成粉末加入到导热胶中形成的金刚石复合导热胶，具有良好的导热性能和粘合性，能够粘合半导体光放大器中的波导层与覆盖层、光芯片的上表面和外壳等。

芯片散热封装结构：金刚石复合材料可用于制造芯片散热封装结构中的散热部件，如散热鳍片、散热柱等，与传统的散热材料相比，能够更有效地将芯片产生的热量散发出去，提高芯片的工作稳定性和可靠性，同时还可以减小封装结构的尺寸，满足电子设备小型化的需求。

（三）其他领域

切削刀具及耐磨件：金刚石复合片是采用金刚石微粉与硬质合金基体在超高压高温条件下烧结而成的复合材料，既具有金刚石的高硬度、高耐磨性与导热性，又具有硬质合金的强度与抗冲击韧性，是制造切削刀具、钻井钻头及其他耐磨工具的理想材料。

光学窗口：金刚石在光学领域具有良好透光性和折射率，适用于制造光电器件的光学窗口，如红外探测器、激光设备等的窗口材料，能够承受高温、高压等恶劣环境。

生物医学：金刚石具有良好的生物相容性和化学稳定性，可用于制造生物医学设备，如植入式医疗器械、生物传感器等。

航空航天：航空航天领域对材料的性能要求极高，金刚石复合材料因其高强度、高硬度、低密度、耐高温等特性，可用于制造航空航天部件，如发动机叶片、机翼结构件等。

金刚石复合材料凭借丰富种类、多元制备工艺，从微观芯片散热到宏观航天装备，从日常电子产品到前沿医疗领域，全方位渗透现代生活。未来，随着制备技术的不断进步和成本的不断降低，金刚石复合材料有望在更多领域得到应用和推广。

参考来源：

吴新锋等：金刚石导热复合材料的研究进展

祝平等: 金刚石/金属复合材料界面改性研究进展

王翔宇等：金刚石／铝复合材料的制备及其扩热可靠性研究

中国粉体网

（中国粉体网编辑整理/留白）

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