金剛石散熱器是用于散熱的人造（或?qū)嶒?yàn)室培育的）金剛石薄片（通常 ≤2 mm），通常放置在熱源和熱沉之間。
人們通常不會(huì)將金剛石與熱管理或用于控制熱量的材料和技術(shù)聯(lián)系在一起，尤其對(duì)于電子設(shè)備。
但事實(shí)上，金剛石不僅“恒久遠(yuǎn)”，而且還是出色的熱導(dǎo)體，用于在專業(yè)的高性能電子設(shè)備中消散可能具有破壞性的熱量。
許多電子元件在工作時(shí)會(huì)變熱，消除這種熱量對(duì)于確保元件的良好性能和長(zhǎng)使用壽命至關(guān)重要。熱量可能會(huì)改變電子元件的特性，使它們變得低效，久而久之甚至?xí)斐蓳p壞。熱管理是一門旨在驅(qū)走元件中熱量的科學(xué)。
雖然金剛石以其硬度而聞名，但實(shí)際上它還有另外兩種特性（即，導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性），它們是金剛石在散熱器中得到廣泛使用的關(guān)鍵。
一種優(yōu)于銅或碳化硅的出色導(dǎo)體
材料傳遞熱量的能力以導(dǎo)熱率來(lái)衡量。導(dǎo)熱率的測(cè)量單位是瓦/米·開(kāi)爾文 (W/mK)。導(dǎo)熱率為 1 W/mK 的材料每當(dāng)溫度變化 1 開(kāi)爾文（或攝氏度），可在 1 米厚的范圍內(nèi)傳遞 1 瓦的熱量。
銅常用于帶走電子元件中的熱量。銅的導(dǎo)熱率約為 400 W/mK，因此成為了許多應(yīng)用的好選擇。但是，銅比較重，而且容易失去光澤和腐蝕。在微電子領(lǐng)域、惡劣環(huán)境中或在一絲一毫的重量都至關(guān)重要的航空航天領(lǐng)域，銅并不是用于進(jìn)行熱管理的理想材料。而且，銅是良好的電導(dǎo)體，當(dāng)用于電子器件的熱管理時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致工程方面的難題。
金剛石是由普通碳排列而成的晶體，其導(dǎo)熱率高達(dá) 1,500-2,200 W/mK，高于任何一種材料，大約是銅的五倍。為什么金剛石具有這么好的導(dǎo)熱能力？ 關(guān)鍵在于其結(jié)構(gòu)。
金剛石結(jié)構(gòu)圖
金剛石具有立方晶體結(jié)構(gòu)。每個(gè)碳原子以共價(jià)方式與其他四個(gè)碳原子鍵合在一起，形成一個(gè)四面體（金字塔形狀）。這種結(jié)構(gòu)中沒(méi)有自由電子，因此金剛石不導(dǎo)電。銅等常見(jiàn)的熱導(dǎo)體有自由電子，因此具有很高的導(dǎo)電性。這些熱導(dǎo)體可以利用外圍電子進(jìn)行熱傳遞。金剛石不導(dǎo)電，因此只能通過(guò)原子振動(dòng)來(lái)傳遞熱。金剛石的剛性連續(xù)晶體結(jié)構(gòu)使得這些振動(dòng)可以很快擴(kuò)散到整塊金剛石，然后轉(zhuǎn)化為快速導(dǎo)熱。
純度是決定金剛石導(dǎo)熱性的關(guān)鍵。金剛石中的雜質(zhì)可能會(huì)減慢或擾亂晶格振動(dòng)的擴(kuò)散，導(dǎo)致導(dǎo)熱效率下降。（有些雜質(zhì)甚至可能會(huì)改變金剛石的關(guān)鍵特性。例如，天然藍(lán)金剛石含有硼，因此可作為半導(dǎo)體。）
金剛石的晶體結(jié)構(gòu)還使其十分耐受酸、堿基、氧化劑和其他化學(xué)物質(zhì)。金剛石是已知最堅(jiān)硬的天然材料。（存在更堅(jiān)硬的特種人造材料，但它們不具備金剛石的其他獨(dú)特特性。）
金剛石是適用于高性能微電子器件熱管理的上佳材料。金剛石散熱器的導(dǎo)熱性能比銅或鋁高得多，不導(dǎo)電，重量輕，耐腐蝕，而且非常耐用。
為什么金剛石是優(yōu)于銅、鋁或碳化硅的選擇
之所以說(shuō)金剛石是比銅、鋁或碳化硅等其他材料更好的熱導(dǎo)體，原因有幾個(gè)：
1. 導(dǎo)熱率：金剛石的導(dǎo)熱率介于 1,500-2,200 W/mK 之間，是已知最高的。銅的導(dǎo)熱率為 400 W/mK，鋁的導(dǎo)熱率為 220 W/mK。
2. 熱穩(wěn)定性：金剛石不會(huì)隨著溫度變化而發(fā)生明顯的膨脹或收縮，這意味著能在很大溫度范圍內(nèi)保持非常穩(wěn)定。金剛石還能在很大溫度范圍內(nèi)保持導(dǎo)熱率。對(duì)于空間非常寶貴的微電子器件，這兩種特性至關(guān)重要。
3.?耐腐蝕性：金剛石不受強(qiáng)酸、堿基甚至有機(jī)溶劑的影響。
4.?導(dǎo)電性：金剛石不導(dǎo)電，是一種很好的絕緣體。
5.?耐用性：金剛石是已知最堅(jiān)硬的材料之一。
6.?重量輕：金剛石比銅等其他常見(jiàn)的導(dǎo)熱材料更輕便。
7.?透明度：有些金剛石是透明的。
金剛石散熱器是如何制造的
金剛石散熱器的制造方式類似于其他人造金剛石材料。強(qiáng)烈的微波沖擊甲烷氣體，釋放出碳原子，這些碳原子在金剛石種晶層周圍結(jié)晶。金剛石晶片隨著時(shí)間的推移慢慢形成。金剛石散熱器可以做成多種形狀和尺寸，但其厚度通常僅為 2 mm 甚至更薄。金剛石散熱器多為不透明和黑色，但可以根據(jù)需要做成透明。金剛石散熱器的切割和塑形需要使用強(qiáng)大的激光器或其他具有金剛石表面的切割工具。
金剛石散熱器有哪些應(yīng)用？
金剛石散熱器適用于工程師需要高效、輕便、耐用且絕緣的熱導(dǎo)體的任何情況，金剛石散熱器通常用于數(shù)據(jù)中心的高性能計(jì)算、LED 照明系統(tǒng)、電動(dòng)汽車、射頻 (RF) 發(fā)射器和高功率激光器。
此外，金剛石散熱器對(duì)于必須承受極端條件的設(shè)備（例如衛(wèi)星或飛機(jī)的微電子器件）尤其有用。由于重量輕，非常耐用，具有電絕緣特性，且能夠在極端溫度下傳遞熱，因此金剛石散熱器是許多航空航天應(yīng)用的理想選擇。
金剛石散熱器通常放置在發(fā)熱電子元件和以碳化硅、銅或鋁等其他材料制成的大型無(wú)源散熱器之間?？蓪崮軓碾娮悠骷焖俎D(zhuǎn)移到這些大型無(wú)源或有源散熱器，再由這些散熱器徹底消散熱能。
來(lái)源：Coherent Corp
原文鏈接：https://www.coherent.com/zh/news/glossary/diamond-heat-spreader
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