От ювелирных изделий до полупроводников: алмазы играют ключевую роль в создании теплопроводящих материалов нового поколения

В эпоху высокомощной электроники и высокоскоростной связи, когда стоят задачи по отводу тепла, не страдают ли ваши прецизионные компоненты от перегрева, что приводит к снижению их эффективности и сокращению срока службы? Эффективное управление тепловым режимом стало первоочередной задачей для повышения конкурентоспособности и надежности продукции.

Алмаз, этот драгоценный камень, традиционно ассоциирующийся с роскошью, благодаря своим исключительным теплопроводящим свойствам, революционизирует промышленность и технологию, устраняя проблемы с отводом тепла.

В отличие от металлов, которые проводят тепло с помощью свободных электронов, алмаз использует уникальные колебания фононной решетки в сочетании с плотным расположением атомов, сильными ковалентными связями и крайне низким количеством дефектов решетки, что позволяет ему достигать теплопроводности, значительно превосходящей теплопроводность металлических материалов, и стать ключевым элементом передовых технологий эффективного отвода тепла в будущем.

В данной статье будет подробно рассмотрено, почему алмазы обладают превосходной теплопроводностью, в чем заключается разница между механизмами теплопроводности и электропроводности, а также текущее состояние развития и рыночный потенциал в различных высокотехнологичных областях применения.

Информация о бриллиантах

• Химический состав: Природный алмаз представляет собой кристаллическое состояние углерода, аллотропную модификацию углерода, подобную графиту, а основной примесью является N (0,01~0,25%).
• Цвет: Чистые алмазы прозрачны и бесцветны, но они могут иметь разные цвета из-за различных примесей и дефектов кристаллов. Натуральные алмазы в основном светло-желтые, а искусственные — желто-зеленые.
• Физические свойства: высокая температура плавления, высокая теплопроводность, высокое удельное сопротивление, плотность ρ = 3,51524 г/см3.
• Химические свойства: гидрофобный, олеофильный, инертный при комнатной температуре, не подвержен коррозии под воздействием химических реагентов, за исключением некоторых окислителей, при нагревании до 1000℃.
• Окисление: Когда алмазы подвергаются воздействию чистого кислорода при температуре выше 600°C, они начинают терять свой блеск, а их поверхность становится черной и пепельной. Начинает гореть при температуре 700~800℃.
• Температура, при которой искусственные алмазы начинают окисляться на воздухе, составляет 740~840℃, а температура, при которой они начинают гореть, составляет 850~1000℃.

※Дополнительная информация:Абразивные материалы — Алмазное сверление

Почему алмаз обладает хорошей теплопроводностью?

Теплопроводность алмаза в основном обусловлена распространением колебаний фононов. В отличие от обычных металлов, которые передают тепло с помощью свободных электронов, алмаз, как диэлектрик, передает тепло в основном с помощью фононов, то есть квантов энергии колебаний кристаллической решетки. Алмаз обладает чрезвычайно высокой кристаллической целостностью, имеет очень мало дефектов, а также легкие атомы углерода и прочные ковалентные связи между атомами углерода, что обеспечивает большой средний путь свободного пробега фононов и малое рассеяние, благодаря чему достигается чрезвычайно высокая теплопроводность. Теплопроводность природного алмаза типа IIa может достигать 2200–2600 Вт/м·К, что намного выше, чем у большинства металлических материалов.

Объяснение механизма теплопередачи:

• Теплопроводность металлов: теплопередача осуществляется в основном за счет свободных электронов.
• Теплопроводность алмаза:
  • Фононы можно рассматривать как квантовые единицы колебаний кристаллической решетки.Когда часть атомов под воздействием тепловой энергии начинает колебаться, эти колебания распространяются по кристаллической структуре, как волны по воде.
  • В таком материале, как алмаз, с чрезвычайно плотным и высокосимметричным расположением атомов, фононы могутраспространяться с высокой скоростью и низким сопротивлением,поэтому тепловая энергия может быстро распространяться из одной точки по всему материалу.

Причины высокой теплопроводности фононов:

• Масса атома углерода небольшая → скорость распространения фононов высокая.
• Сильная углерод-углеродная связь → высокая энергия фононов, короткая длина волны.
• Меньше дефектов кристалла → меньше рассеяния фононов, большая средняя длина свободного пробега.
• Простая конструкция → способствует стабильной передаче высокочастотных фононов.

Теплопроводность монокристаллического и поликристаллического материалов

Преимущества монокристаллических и поликристаллических алмазных пленок

• Независимо от того, монокристаллический он или поликристаллический, его теплопроводность намного превосходит традиционные материалы, такие как серебро, медь и алюминий.
• Преимущества монокристалла Honway: его практически идеальная кристаллическая структура обеспечивает превосходную теплопроводность по сравнению с поликристаллом, что делает его идеальным выбором для высокотехнологичных применений, таких как GaN-чипы.
• Преимущества поликристаллического материала Honway: он обладает большой площадью и отличной экономической эффективностью, что делает его оптимальным решением для отвода тепла в средних и высоких классах промышленных применений, таких как светодиоды и лазеры.

Сравнение теплопроводящих материалов, широко представленных на рынке в настоящее время

Раньше при покупке бриллиантов некоторые люди лизали его кончиком языка: если он был прохладным, то это был настоящий бриллиант; если теплым, то это было просто стекло. Этот процесс фактически представляет собой сравнительный эксперимент по теплопроводности, в котором язык используется в качестве зонда. Поскольку теплопроводность стекла очень низкая, а теплопроводность настоящего бриллианта в тысячу раз выше, чем у стекла, чувствительный язык действительно может легко различить разницу между ними.

Почему выбрать алмаз в качестве предпочтительного материала для теплоотвода?

Знаете ли вы?

Когда температура поверхности чипа достигает 70–80 °C, с каждым повышением температуры на 1 °C надежность чипа снижается на 10 %. Еще более тревожным является тот факт, что более 55 % отказов оборудования напрямую связаны с перегревом!

В условиях таких серьезных вызовов вам нужен самый надежный вариант охлаждения.Алмаз — это материал с самой высокой теплопроводностью из всех известных на сегодняшний день.Его теплопроводность достигает:

• Silicon (Si) gấp 13 lần
• Silicon carbide (SiC) gấp 4 lần
• В 4–5 раз больше, чем медь и серебро.

Выбирая Diamond, вы выбираете непревзойденные возможности управления тепловым режимом для ваших ключевых компонентов, что обеспечивает стабильную работу продукта и значительно продлевает срок его службы.

«Хорошая теплопроводность» означает ли «хорошая электропроводность»?

В области высокоэффективного электронного проектирования часто встречается следующий миф: «Материалы с хорошей теплопроводностью обязательно обладают хорошей электропроводностью?». Ответ в отношении алмаза: не всегда.

Механизм передачи тепла и электричества:

Хотя алмаз обладает чрезвычайно высокой эффективностью в плане колебаний атомов (фононов) и, следовательно, отличается превосходными теплопроводящими свойствами (более 2000 Вт/м·К), он является отличным электроизолятором (с очень низкой электропроводностью), поскольку все его валентные электроны участвуют в ковалентной связи и практически не имеют возможности свободно перемещаться.

Области применения

Благодаря своим непревзойденным теплопроводностным и электроизоляционным свойствам алмаз стал ключевым материалом для решения проблем теплоотвода в устройствах с высокой плотностью мощности, демонстрируя свой огромный потенциал в следующих областях:

1. Высокомощные электронные компоненты

• GaN-чипы, полевые транзисторы (FET), усилители мощности.
• Однокристальный алмазный подложка эффективно повышает теплоотдачу и стабильность компонентов, значительно продлевает срок их службы, повышает стабильность системы и обеспечивает более высокую рабочую частоту.

2. LED и лазерное рассеивание тепла

• Поликристаллическая алмазная пленка, нанесенная на светодиодный чип → Эффективно подавляет горячие точки, повышает яркость и срок службы, обеспечивает стабильную мощность источника света, уменьшает световой спад и повышает надежность продукта.

3. Фотоэлектрические и инфракрасные элементы

• Высокая светопроницаемость и высокий коэффициент преломления алмаза → подходит для использования в качестве лазерного окна, светового экрана ракеты, инфракрасного датчика, эффективного слоя солнечных батарей, обладает превосходной оптической стабильностью и сохраняет свои свойства в суровых условиях.

4. Подложка для интегральной схемы (IC)

• Теплопроводность кремния составляет лишь 1/15 от теплопроводности алмаза. Если заменить подложку алмазом, можно значительно улучшить теплоотвод, преодолеть ограничения традиционных систем охлаждения и создать более компактные и высокоэффективные микросхемы.

5. Теплопроводящий изоляционный материал

• Благодаря своим высоким теплопроводящим, но электроизолирующим свойствам, он используется в ситуациях, требующих специального теплового управления, и обеспечивает безопасное и надежное тепловое управление в условиях высокого давления или высокой частоты.

Текущий объем рынка

Факторы роста рынка

• Электронное оборудование с высокой плотностью мощности: с развитием таких технологий, как полупроводники, 5G, электромобили (EV) и AI-серверы, растет спрос на высокоэффективные материалы для теплового управления.
• Прогресс в технологии CVD: Совершенствование технологии химического осаждения из паровой фазы (CVD) сделало возможным массовое производство высококачественного алмазного материала, снизило его стоимость и расширило сферу применения.
• Применение в аэрокосмической и оборонной отраслях: стабильность алмазных материалов в экстремальных условиях способствует их все более широкому применению в аэрокосмической и оборонной отраслях.

Промышленное применение и перспективы

Высокая теплопроводность и электроизоляционные свойства алмаза позволяют широко применять его в таких областях, как полупроводники, высокомощная электроника, лазерные модули, оборудование для связи 5G, силовые модули для электромобилей и т. д. В будущем, с ростом спроса на эффективные решения в области теплового менеджмента, рынок теплопроводящих материалов на основе алмаза, по прогнозам, будет продолжать расти.

заключение

Благодаря уникальной атомной структуре и превосходной проводимости фононов, алмаз демонстрирует незаменимые преимущества в области теплового управления в приложениях с высокой мощностью и высокой тепловой плотностью. Несмотря на то, что алмаз является отличным электроизолятором, его теплопроводность в несколько раз превышает теплопроводность традиционных металлов, а монокристаллический алмаз особенно хорошо подходит для самых строгих требований к теплоотводу.

От светодиодов, лазеров, GaN-чипов до перспективных применений, таких как 5G-связь и электромобили, алмазы занимают все более важное место в передовых системах теплового управления. С развитием технологии CVD и постоянным расширением рыночного спроса, алмазные теплопроводящие материалы Hongwei не только представляют собой передовую промышленную ценность и огромный рыночный потенциал, но и станут вашим ключевым партнером в продвижении развития электронных и коммуникационных технологий нового поколения и достижении скачкообразного роста эффективности ваших продуктов.Свяжитесь с нами прямо сейчас, и мы предоставим вам индивидуальное алмазное решение для ваших задач по отводу тепла!

действие

1. Бесплатная консультация и оценка
2. Индивидуальный дизайн решений для отвода тепла с помощью алмазов
3. Внедрение и проверка эффективности
4. >>>Свяжитесь с нами

Что касается измельчения, мы предлагаем индивидуальные настройки и можем регулировать соотношение в соответствии с требованиями обработки для достижения максимальной эффективности.

Если после прочтения текста вы все еще не знаете, как выбрать наиболее подходящий вариант.

Добро пожаловать, свяжитесь с нами, у нас есть кто-то, кто ответит на ваши вопросы.

Если вам нужна индивидуальная расценка, пожалуйста, свяжитесь с нами.

Часы работы службы поддержки клиентов: с понедельника по пятницу с 09:00 до 18:00.

Тел: 07 223 1058

Если у вас есть какие-либо вопросы или вопросы, на которые вы не смогли ответить по телефону, пожалуйста, отправьте мне личное сообщение на Facebook~~

Фейсбук Хоневэй: https://www.facebook.com/honwaygroup

Вас также может заинтересовать…