金剛石，散熱領(lǐng)域的材料之王

作者：碳方程新材料（山西）有限公司
類別：行業(yè)新聞
更新時(shí)間：2025-06-06 14:51:50
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在科技飛速發(fā)展的今天，導(dǎo)熱材料在眾多領(lǐng)域都扮演著舉足輕重的角色。從電子設(shè)備的散熱到能源領(lǐng)域的熱管理，高效的導(dǎo)熱材料能夠顯著提升系統(tǒng)的性能與穩(wěn)定性。在眾多導(dǎo)熱材料中，金剛石作為一種新興導(dǎo)熱材料，正逐漸嶄露頭角并后來(lái)居上。

目前，新能源汽車(chē)、消費(fèi)電子、AI、無(wú)人機(jī)、通訊、電力及工業(yè)自動(dòng)化等正在高速發(fā)展，而這些行業(yè)正面臨著日益嚴(yán)峻的散熱難題。消費(fèi)電子和通信領(lǐng)域，器件小型化、高頻化和高功率化趨勢(shì)下，熱量聚集引起的電子產(chǎn)品故障問(wèn)題；新能源汽車(chē)以及儲(chǔ)能領(lǐng)域，電池高密度引發(fā)的過(guò)熱安全問(wèn)題；無(wú)人機(jī)CPU、GPU等高熱源帶來(lái)的可靠性問(wèn)題......

金剛石具有“碳單質(zhì)”特性，包括已知最高的熱導(dǎo)率、剛度和硬度，同時(shí)在較大波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有高光學(xué)傳輸特性、低膨脹系數(shù)和低密度屬性。這些特性使金剛石成為能夠顯著降低熱阻的熱管理應(yīng)用材料，被視為半導(dǎo)體材料“六邊形戰(zhàn)士”及“終極半導(dǎo)體”。

要合成熱管理應(yīng)用所需金剛石，第一步是選擇最恰當(dāng)?shù)暮铣杉夹g(shù)，據(jù)了解，目前主流工藝有高溫高壓HPHT、化學(xué)氣相沉積CVD，其中，MPCVD法是制備高質(zhì)量、大尺寸、低成本的晶圓級(jí)金剛石的最佳方案。在當(dāng)下全球化、數(shù)字化加速發(fā)展的時(shí)代，金剛石導(dǎo)熱材料的應(yīng)用正在為各個(gè)行業(yè)的轉(zhuǎn)型和升級(jí)提供新的思路。目前，CVD金剛石已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，有1000-2000 W/m·K 不同等級(jí)熱導(dǎo)率可供選擇。CVD金剛石還具有完全各向同性特征，強(qiáng)化各方向上的熱量擴(kuò)散。

金剛石導(dǎo)熱原理

金剛石獨(dú)特的立方晶體結(jié)構(gòu)是其導(dǎo)熱性能卓越的根源。在這種結(jié)構(gòu)中，每個(gè)碳原子都通過(guò) SP3 雜化軌道與相鄰的 4 個(gè)碳原子緊密相連，形成穩(wěn)固的共價(jià)鍵，構(gòu)建出規(guī)則的正四面體結(jié)構(gòu)。由于所有價(jià)電子都被牢牢束縛在共價(jià)鍵區(qū)域，不存在自由電子，這使得金剛石呈現(xiàn)出絕緣特性。不同于金屬依賴外圍電子實(shí)現(xiàn)熱量傳導(dǎo)，金剛石的高熱導(dǎo)性能主要依賴碳原子振動(dòng)產(chǎn)生的聲子傳播。當(dāng)局部受熱時(shí)，碳原子振動(dòng)加劇，這種振動(dòng)能量以聲子的形式在晶體中快速傳遞，從而實(shí)現(xiàn)高效的熱量傳導(dǎo)，讓金剛石在散熱領(lǐng)域大放異彩。

關(guān)于碳方程

碳方程，主要從事第三、四代半導(dǎo)體材料專用設(shè)備的研發(fā)與制造，其核心業(yè)務(wù)為金剛石半導(dǎo)體材料所需的MPCVD長(zhǎng)晶設(shè)備的研發(fā)與生產(chǎn)。公司致力于完善金剛石大尺寸材料的加工工藝及相關(guān)配套設(shè)備，旨在實(shí)現(xiàn)核心設(shè)備的自主化與產(chǎn)業(yè)化，以推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的快速發(fā)展。

截止目前，公司已成功研發(fā)出6KW/10KW/15KW等MPCVD長(zhǎng)晶設(shè)備并大批量應(yīng)用于金剛石行業(yè)，與此同時(shí)，公司在技術(shù)創(chuàng)新上持續(xù)深耕，2024年已順利推出915MHZ MPCVD設(shè)備，并小批量出貨。

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