金剛石被譽(yù)為是世界上最硬的物質(zhì)，擁有十分特殊，非比尋常的物理、機(jī)械和光學(xué)特性。但別忘記，它同時(shí)還擁有極為出色的導(dǎo)熱性能。不同于金屬依靠外圍電子進(jìn)行傳熱，金剛石依靠的是聲子（phonon）——當(dāng)物質(zhì)的成分越單純、結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單、雜質(zhì)越少時(shí)，聲子運(yùn)動(dòng)就越快，傳熱速率也就越快。

備注：鉆石的組成只有單一元素碳，結(jié)構(gòu)也十分簡(jiǎn)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，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá) 26 watt/K-cm，比傳熱最快的金屬銀、銅還要快 6～7 倍。

以前在珠寶店購買鉆石飾品時(shí)，顧客如果擔(dān)憂鉆石的真假，有部分老板會(huì)讓顧客用舌尖舔一下，并告知“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(gè)過程其實(shí)就是用舌尖當(dāng)做探針，在寶石上做一次導(dǎo)熱系數(shù)的比較實(shí)驗(yàn)。因?yàn)椴ＡУ膶?dǎo)熱系數(shù)很小，只有0.008 watt/K-cm，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(chǎng)強(qiáng)、低介電常數(shù)、低熱膨脹等特點(diǎn)，因此被科學(xué)家認(rèn)為是一種能夠滿足飛速發(fā)展的電子工業(yè)對(duì)熱管理的超高要求的理想熱管理材料（包括熱沉材料、封裝材料，基體材料等）。但再好的才能也要發(fā)揮出來才有意義，具體金剛石該如何使用的，下面便來一起看看。

一、金剛石在導(dǎo)熱領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，金剛石在熱管理材料上的應(yīng)用主要有兩種形式，即金剛石薄膜和將金剛石與銅、鋁等金屬復(fù)合制成復(fù)合材料。

雖然金剛石薄膜在熱導(dǎo)率上較其它材料優(yōu)勢(shì)明顯，但由于金剛石薄膜的低熱膨脹，難與金屬潤(rùn)濕、焊接等特點(diǎn)，導(dǎo)致金剛石薄膜與其它器件和焊料的組裝及應(yīng)用過程中受到了很大限制。而將金剛石與銅、鋁等金屬復(fù)合，就可通過調(diào)節(jié)金剛石體積分?jǐn)?shù)實(shí)現(xiàn)高熱導(dǎo)和可調(diào)熱膨脹，滿足系統(tǒng)散熱和組裝工藝的要求，因此“復(fù)合”成為了金剛石在熱管理材料上的主要應(yīng)用形式。

熱管理材料的熱物理性能

雖然與金屬復(fù)合的材料有不止一種的選擇，但它們要不就是熱膨脹不匹配，要不就是熱導(dǎo)率很低，都不太能滿足散熱要求的發(fā)展。借此優(yōu)勢(shì)，金剛石成為國(guó)內(nèi)外熱管理材料中的新寵，被譽(yù)為第三代熱管理材料。上圖是由Zw eben總結(jié)的關(guān)于常用熱管理材料熱物理性能（包括熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)）的統(tǒng)計(jì)圖表，感興趣的可以對(duì)比看看。

二、影響金剛石-金屬復(fù)合材料熱導(dǎo)率的因素

金剛石-金屬復(fù)合材料熱導(dǎo)率不僅與基體和增強(qiáng)相的熱導(dǎo)率、增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)、顆粒大小及分布狀態(tài)等宏觀因素有關(guān)，還與界面結(jié)合狀態(tài)、晶體缺陷等微觀因素有關(guān)。

1.基體性質(zhì)

常用基體通常有銅、鋁、銀等，熱導(dǎo)率較高，但熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Si、GaAs等材料。金屬熱導(dǎo)率與其純度有關(guān)，高純銅熱導(dǎo)率較工業(yè)純銅高很多。添加合金元素對(duì)改善金屬和金剛石界面粘結(jié)有作用。

SPS燒結(jié)的金剛石-銅復(fù)合材料斷面形貌 (a)未鍍；(b)鍍Cr

2.金剛石性質(zhì)

毋庸置疑，具有獨(dú)特晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的高品級(jí)金剛石才會(huì)具備熱管理材料所要求的優(yōu)異性質(zhì)，如高熱導(dǎo)(990～2200W·m^-1·K^-1)、極低的熱膨脹系數(shù)(不超過1.0×10^-6K-1)、低介電常數(shù)(約5.5)、高電阻率和擊穿場(chǎng)強(qiáng)(約1000kV/mm)。

①金剛石顆粒熱導(dǎo)率：金剛石種類很多，不同品種間的性能差異很大。如天然IIa型金剛石在室溫下熱導(dǎo)率高達(dá)2200 W·m^-1·K^-1；而人造單晶金剛石的熱導(dǎo)率，則根據(jù)其缺陷的多少而有所不同。

②金剛石顆粒大小及其分布：L.W eber等人用不同粒度金剛石與Ag-Si制備復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)當(dāng)原料為MBD4級(jí)時(shí)，隨粒徑的增大復(fù)合材料熱導(dǎo)率逐漸增大，當(dāng)粒徑超過200μm時(shí)，熱導(dǎo)率達(dá)到800 W·m^-1·K^-1。此后，復(fù)合材料熱導(dǎo)率隨金剛石粒徑增大而下降。而采用高品質(zhì)金剛石時(shí)，復(fù)合材料熱導(dǎo)率逐漸增大，金剛石粒徑增大到300μm以上時(shí)熱導(dǎo)率仍可保持在800 W·m^-1·K^-1的水平上。

④金剛石晶型：人造金剛石晶型越完整，其熱導(dǎo)率越高。Flaquer等人通過線性追蹤法及Hasselman-Johnson模型對(duì)金剛石的體積分?jǐn)?shù)、顆粒尺寸尤其是晶型進(jìn)行了建模分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)金剛石晶型為正六面體時(shí)，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率達(dá)到最大值，此后熱導(dǎo)率無明顯變化。

3.宏觀因素

宏觀上講，金剛石基復(fù)合材料的導(dǎo)熱能力取決于金剛石體積分?jǐn)?shù)、顆粒大小及分布等因素。比如說金剛石體積分?jǐn)?shù)，下圖是Katsuhito等人采用高溫高壓法制備的金剛石-Cu復(fù)合材料熱物理性能。顆粒尺寸90~110μm、體積分?jǐn)?shù)為70%時(shí)復(fù)合材料熱導(dǎo)率最高可達(dá)742 W·m^-1·K^-1，CTE可控制在4~9×10^-6 K^-1。復(fù)合材料熱導(dǎo)率與金剛石體積分?jǐn)?shù)及金剛石顆粒大小相關(guān)，而熱膨脹系數(shù)僅與金剛石體積分?jǐn)?shù)有關(guān)。

金剛石/Cu復(fù)合材料與體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

(a)熱導(dǎo)率； ( b)熱膨脹系數(shù)

4.微觀因素

金剛石主要靠聲子導(dǎo)熱，其聲子平均自由程由聲子間的相互碰撞和固體中缺陷對(duì)聲子的散射決定。金剛石中的雜質(zhì)元素、位錯(cuò)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(huì)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。復(fù)合材料導(dǎo)熱時(shí)，聲子、電子導(dǎo)熱及聲子-電子的相互作用對(duì)復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響更為復(fù)雜，主要包括以下方面：

①化學(xué)成分：化學(xué)組分越復(fù)雜,雜質(zhì)含量越多,材料熱導(dǎo)率降低越明顯。這是由于第二組分和雜質(zhì)的引入會(huì)引起晶格扭曲、畸變和位錯(cuò)，破壞晶體的完整性，增大聲子或電子的散射幾率。

②內(nèi)部缺陷：材料中各種缺陷都是引起聲子散射的中心，會(huì)降低聲子平均自由程和材料熱導(dǎo)率。單晶中的雜質(zhì)、位錯(cuò)、裂紋等晶格缺陷以及復(fù)合材料中的氣孔等都會(huì)增大聲子散射幾率。

③晶體結(jié)構(gòu)：單晶結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，導(dǎo)熱系數(shù)越低。多晶在結(jié)構(gòu)上的完整性和規(guī)則性都比較差，加上晶界上雜質(zhì)和畸變等因素都會(huì)使聲子散射增加。

總結(jié)

到目前為止，金剛石熱管理材料研究與應(yīng)用已取得較大進(jìn)展，其熱物理性能不斷提升。考慮到金剛石的熔點(diǎn)接近攝氏4000度，而且不受強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等化學(xué)藥劑的侵蝕，它應(yīng)該相當(dāng)適合用于需要在嚴(yán)苛條件下操作使用的高精密電子儀器中。

資料來源：

金剛石熱管理材料的研究進(jìn)展，宋月清，夏揚(yáng)，謝元鋒，林晨光，郭志猛，曲選輝。

了不起的結(jié)晶–金剛石，余樹楨。

粉體圈 NANA整理