金刚石在导热散热领域的重要地位——为退烧而生

叮咚~,头条新闻又来啦,“华为”、“5G时代”在这几个月大家一定不陌生,几乎覆盖了每天的头条,成为人们茶余饭后的谈资,深入民心。

5G是比4G多一个G吗

从1G演变的5G,可不是爬楼梯一样连续提升,而是质的飞跃。“G = generation”,换句话说,1G时代,我们仅仅能传输电子信号,只能打电话;2G可以QQ、短信与好友相互问候;3G刷微博,朋友圈;4G拉近了人与人的距离,让地球成为地球村,让你与远在千里的他面与面交流。从1G到4G,信号越来越好,安全系数提高,网速成为我们追求指标。那么5G究竟有什么不同?5G下载速率理论值将达到每秒10GB,将是当前4G上网速率的10倍,只需1秒,电影下载结束。
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13C同位素、氮杂质和空位等点缺陷,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

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金刚石磨粒、磨具及研磨液在精密磨削、研磨、抛光中的应用

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金刚石刀具在轴承、汽车零部件、复合材料加工领域的应用

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金刚石涂层在拉丝模、刀具、红外窗口中的应用

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金刚石工具(刀具、磨具等)在3C产品中的应用

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纳米金刚石功能材料和器件分论坛

半导体等功能器件

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金刚石量子传感技术

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金刚石衬底研究

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纳米金刚石的掺杂及其光电性能研究

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透过纳米晶金刚石薄膜提升碳纳米管之电子场发射特性

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金刚石在电子封装和相变储热领域的研究进展

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金刚石紫外探测器

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金刚石射频生长技术

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金刚石氮空穴色心研究

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金刚石磁性传感器及功率器件

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纳米金刚石的改性及其在催化反应中的应用研究

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金刚石高导热散热涂层的开发及应用

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环保和生物医用

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高温高压合成超硬材料现状解读

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纳米金刚石在肿瘤药物中的应用

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纳米金刚石在基因传输和治疗中的应用

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纳米金刚石生物探针的开发及应用

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人造(类)金刚石手术刀具等医疗器械中的开发及应用

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类金刚石在生物医学(心血管支架、心脏瓣膜等)上的应用

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Workshop系列活动

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