隨著電子器件越來(lái)越小、功率越來(lái)越高,散熱成為制約性能的“頭號(hào)難題”。傳統(tǒng)材料(如銅、硅)熱導(dǎo)率有限,而金剛石的熱導(dǎo)率是銅的 5倍以上,堪稱“散熱王者”!但大尺寸高導(dǎo)熱金剛石制備成本高、工藝復(fù)雜,如何實(shí)現(xiàn)高效又經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)?
多晶金剛石散熱片的制備工藝
哈爾濱工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)采用 MPCVD技術(shù),在真空環(huán)境中通過(guò)微波激發(fā)氣體(氫氣、甲烷、氮?dú)猓屘荚釉诠枰r底上“生長(zhǎng)”成金剛石。
關(guān)鍵突破:
甲烷濃度:降低甲烷比例(從8%降至5%),減少雜質(zhì)碳沉積,提升晶體質(zhì)量。
生長(zhǎng)溫度:提高溫度(930~950℃),促進(jìn)晶粒橫向擴(kuò)展,讓結(jié)構(gòu)更致密。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果:高熱導(dǎo)率+低翹曲團(tuán)隊(duì)制備了5組樣品(S1-S5),發(fā)現(xiàn):
最優(yōu)性能:樣品S3(甲烷5%,溫度930℃)熱導(dǎo)率高達(dá) 1208 W/(m·K),翹曲值僅37微米,遠(yuǎn)超國(guó)際同類產(chǎn)品(如Element Six的1000-2200 W/(m·K))。
速度與質(zhì)量的平衡:雖然降低甲烷會(huì)減緩生長(zhǎng)速率(5.8 μm/h),但熱導(dǎo)率顯著提升,且翹曲更小,后期加工更容易。
通過(guò)X射線衍射和拉曼光譜分析發(fā)現(xiàn):
<111>晶面主導(dǎo):晶體排列更規(guī)整,減少晶界缺陷。
低甲烷+高溫:抑制非晶碳生成,晶粒尺寸更大,熱傳導(dǎo)路徑更暢通。
與國(guó)外領(lǐng)先企業(yè)Element Six和Sumitomo Electric Industries相比,本研究通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù),實(shí)現(xiàn)了熱導(dǎo)率超過(guò)1200 W/(m·K)的多晶金剛石散熱片的制備,同時(shí)保證了較高的生長(zhǎng)速率(5.8微米/小時(shí))和較低的翹曲值(37微米)。通過(guò)后續(xù)工藝改進(jìn),有望實(shí)現(xiàn)更高速率下高導(dǎo)熱金剛石散熱片的制備,從而有效降低其生產(chǎn)成本。
未來(lái)應(yīng)用前景
多晶金剛石散熱片在以下領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景:
航空航天:用于高可靠性電子設(shè)備的散熱。
通過(guò)不斷優(yōu)化制備工藝,多晶金剛石散熱片有望成為未來(lái)高效散熱解決方案的重要組成部分,為電子器件的性能提升提供強(qiáng)有力的支持。
碳基半導(dǎo)體(包括金剛石、碳化硅、石墨烯和碳納米管等)因其超寬禁帶、高熱導(dǎo)率、高載流子遷移率以及優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性等卓越的特性,正在成為解決傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體材料逐漸逼近物理極限問(wèn)題的關(guān)鍵途徑。在人工智能、5G/6G通信、新能源汽車等迅猛發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。尤其是在當(dāng)前不確定的國(guó)際局勢(shì)和貿(mào)易環(huán)境背景下,碳基半導(dǎo)體戰(zhàn)略意義凸顯,成為多國(guó)布局的重要賽道。
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原文標(biāo)題:突破!高性能多晶金剛石散熱片
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