超硬材料網

50 多年來，采用高壓高溫技術（HPHT） 制造的合成金剛石廣泛應用于研磨應用，充分發揮了金剛石極高硬度和極強耐磨性的特性。在過去20年中，基于化學氣相沉積（CVD） 的新金剛石生成方法已投入商業化應用，這樣就使得以較低成本生成單晶和多晶金剛石。這些新合成方法支持全面開發利用金剛石的光學、熱學、電化、化學以及電子屬性。

　　目前金剛石已廣泛應用于光學和半導體行業。本文主要討論金剛石的熱學優勢，介紹金剛石散熱片的工作原理，簡要展示金剛石生成方法，總結金剛石的一些常見應用（包括應用方法）并以金剛石未來應用前景作為結論。首先我們來簡單介紹金剛石成為室溫下所有固體材料中最佳導熱體的原因及原理。

　　金剛石導熱原理

　　金剛石是立方晶體，由碳原子通過共價鍵結合形成。金剛石的許多極致屬性都是形成剛性結構的sp? 共價鍵強度和少量碳原子作用下的直接結果。

　　金屬通過自由電子傳導熱量，其高熱傳導性與高導電性相關聯，相比之下，金剛石中的熱量傳導僅由晶格振動（即聲子）完成。金剛石原子之間極強的共價鍵使剛性晶格具有高振動頻率，因此其德拜特征溫度高達2,220°K.由于大部分應用遠低于德拜溫度，聲子散射較小，因此以聲子為媒介的熱傳導阻力極小。但任何晶格缺陷都會產生聲子散射，從而降低熱傳導性，這是所有晶體材料的固有特征。金剛石中的缺陷通常包括較重的？？C同位素、氮雜質和空缺等點缺陷，堆垛層錯和位錯等擴展缺陷以及晶界等2D缺陷。

　　作為專門進行熱管理的元件，天然金剛石應用在一些早期微波和激光二極管器件中[1]、[2].但適用天然金剛石板的可用性、尺寸及成本限制了金剛石的市場應用。隨著熱學屬性與IIa型天然金剛石（圖1）相類似的微波輔助型CVD 多晶金剛石的出現，可用性問題得到了解決。目前，許多供應商提供一系列現成的熱學等級的金剛石。由于獨立式多晶金剛石采用直徑達140 mm 的大型晶片（圖1）生成，因此尺寸不再局限為單個器件或小型陣列，陣列尺寸可擴展至幾厘米。基于以上原因，CVD 金剛石的實用性得到驗證，自20世紀90年代以來已被廣泛應用于各種器件之中。

　　圖2. 通過IIa 型天然金剛石激光閃光法所測的層面間熱導率與溫度對比[3]

　　如圖2 所示，TM200（TM 表示熱，200 表示熱導率>2,000 Wm??K??）室溫下熱導率為2,200 Wm??K??,超過銅熱導率5 倍（參見表1）。元素六提供一系列產品，因此可根據技術要求和預算訂制熱傳導能力及成本。由于室溫下熱導率>1,000 Wm?? K??,TM100超過氮化鋁等陶瓷材料4到6 倍。

　　高級產品在低于室溫條件下的熱性能更具優勢，溫度低至100°K時熱導率顯著提高。圖2中TM180 和TM200 等級顯示的性能與溫度變化趨勢與IIa 型天然金剛石類似。

　　我們采用表征技術對不同等級的微觀結構進行了詳細分析。在研究范圍內，TM100的傳導能力對溫度敏感度較低。CVD 金剛石中的晶粒尺寸隨著厚度的增加而增加，對傳導能力有明顯的影響。對于同等晶粒大小的CVD 金剛石，TM100 和TM180 中的點缺陷密度相似，但TM100 中的錯位密度比TM180 高三個數量級。此差異在聲子散射中起主要作用，同時對傳導能力存在顯著影響。TM180 和TM200 中測得的錯位密度相似，但較低溫度下傳導能力的微小差異可由晶粒大小以及TM200 中點缺陷密度比TM180 低5 倍進行解釋。本文以下段落將探討其它生成技術，

　　表1. 綠色= 顯著優勢，黃色= 中等優勢，紅色= 負面影響

　　半導體市場中電源轉換器或固態射頻功率放大器等領域的功率密度不斷提升，使局部熱管理負擔越來越重。CVD金剛石同時具有高熱傳導性及電氣絕緣等極致屬性，是解決上述問題的理想選擇。我們的測量結果表明，微波輔助型CVD 金剛石層面內與層面間傳導能力之比低于10%,與測量不確定度相差無幾。各向同性熱屬性和電氣絕緣是許多熱學應用中散熱片的重要屬性。這與高取向性熱解石墨等材料形成鮮明對比，后者具有導電性并且熱傳導性為各向異性，如表2所示。

　　表2. 不同CVD 技術合成的多晶金剛石熱屬性比較。