原创 金刚石前沿应用来了：半导体散热新技术发布

1月23日消息，钻石巨头戴尔比斯旗下的高科技材料企业Element Six于1月22日宣布推出了一种应用于半导体器件散热的铜-金刚石复合材料，为半导体器件的散热问题提供了全新的解决方案。

左图为复合材料样品，右图为散热器中金刚石微粒的分布

该材料结合了在半导体器件散热领域中广泛得到应用的铜和具有出色热导能力的金刚石，可实现介乎两种原材料之间的导热系数和热膨胀系数。

Element Six 公布了两款参数上存在区别的复合材料：其中金刚石体积分数在 35%±5% 的一款可实现 800 W/m·K 的导热系数，已是铜的两倍，同时最低厚度仅有 0.35mm；而另一款金刚石体积分数更高（45%±5%）的产品导热系数进一步增至 1000 W/m·K，但最低厚度也增加到了 2.0mm。

Element Six 表示其铜-金刚石复合材料以独特工艺制得，适用于高端 HPC / AI 芯片、射频功率放大器、电源转换器、高功率半导体激光器在内的一系列高功率密度半导体器件。

Element Six 首席科学家 Daniel Twitchen 表示：随着功率水平的提高和封装技术的不断进步，半导体器件的热管理仍然是一项重大挑战。我们的铜-金刚石复合材料为下一代 AI 和 HPC 设备提供了可扩展且经济实惠的解决方案，从而应对了这些挑战。这一创新使我们的客户能够提高性能和可靠性，同时降低冷却成本。通过金刚石基复合材料无与伦比的导热性和耐用性，我们正在开创一个高性能设备的新时代，不仅解决了当今的挑战，还为未来的进步奠定了基础。

技术背景与原理

半导体器件在工作过程中会产生大量的热量，如果不能及时散热，将会导致器件性能下降、寿命缩短甚至损坏。传统的散热材料如铜、铝等虽然具有一定的导热性能，但在面对高性能半导体器件的高热负荷时，往往力不从心。因此，开发一种具有更高导热性能的新型散热材料显得尤为重要。

铜-金刚石复合材料正是基于这一需求而诞生的。它结合了在半导体器件散热领域中广泛得到应用的铜和具有出色热导能力的金刚石，通过独特的工艺，这两种材料被完美地结合在一起，实现了导热系数和热膨胀系数在两种原材料之间的平衡，从而达到了前所未有的散热效果。这种材料的导热系数远高于纯铜，能够有效降低半导体器件的工作温度，提高其性能和可靠性。

技术特点与优势

1、高导热性能：

铜-金刚石复合材料的导热系数远超纯铜，甚至可以达到1000 W/m•K以上。这一特性使得它能够在极短的时间内将半导体器件产生的热量迅速传导出去，从而保持器件的稳定运行。

2、低热膨胀系数：

金刚石具有较低的热膨胀系数，这使得铜-金刚石复合材料在温度变化时尺寸变化较小，有利于提高设备的稳定性和可靠性。

3、优异的机械性能：

金刚石的高硬度和强度赋予了铜-金刚石复合材料优异的耐磨、抗冲击等机械性能，使其能够在恶劣的工作环境中保持稳定的性能。

4、良好的加工性能：

通过独特的工艺制备的铜-金刚石复合材料具有良好的加工性能，可以方便地加工成各种形状和尺寸的散热器件。

应用领域与前景

铜-金刚石复合材料凭借其卓越的性能，在多个领域具有广泛的应用前景：

1、高性能计算（HPC）/AI芯片：

随着人工智能和大数据技术的快速发展，高性能计算芯片的需求日益增加。铜-金刚石复合材料的高导热性能使其成为这些芯片理想的散热材料。

2、射频功率放大器：

射频功率放大器在无线通信、雷达等领域具有广泛的应用。由于其工作频率高、功率大，因此散热问题尤为突出。铜-金刚石复合材料能够有效解决这一问题，提高射频功率放大器的性能和可靠性。

3、电源转换器：

电源转换器在电力电子系统中扮演着重要的角色。其散热性能的好坏直接影响到整个系统的稳定性和效率。铜-金刚石复合材料的应用将有助于提高电源转换器的散热性能，从而提高整个系统的性能。

4、高功率半导体激光器：

高功率半导体激光器在医疗、科研、工业等领域具有广泛的应用。其散热问题一直是制约其性能提升的关键因素之一。铜-金刚石复合材料的应用将有望解决这一问题，推动高功率半导体激光器的发展。

制备方法与挑战

铜-金刚石复合材料的制备方法多种多样，包括双镀层法、粉末冶金法、溶渗法、超声波增材制造法、电镀法、高温高压法、等离子体烧结法等。然而，这些制备方法都存在一定的挑战，如金刚石颗粒分布不均匀、界面结合强度低等问题。因此，如何优化制备工艺，提高复合材料的性能，是当前研究的重点之一。

未来展望

随着科技的不断发展，高性能半导体器件的需求将不断增加，对散热材料的要求也将越来越高。铜-金刚石复合材料作为一种新型的高导热复合材料，在半导体散热领域具有广阔的应用前景和巨大的发展潜力，将成为未来半导体散热领域的重要发展方向。同时，随着制备工艺的不断优化和成本的降低，铜-金刚石复合材料有望在更多领域得到应用，为人类的科技进步和生活品质提升贡献更多的力量。

来源：中国地质大学北京郑州研究院与洞见热管理综合整理

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