Растущая потребность в отводе тепла от материалов
С непрерывным развитием технологий появляется всё больше мощных электроприборов и сильноточных микроэлектронных компонентов. Одновременно растут требования к тонким и лёгким электронным устройствам с высокой эффективностью работы. В результате повышается удельная мощность полупроводниковых элементов, увеличивается тепловой поток, и обычные материалы для отвода тепла уже не могут эффективно решать проблемы охлаждения. Как же охлаждать такие материалы? Это становится первостепенной задачей.
Итак, в области теплопроводности и теплоотвода как выбрать подходящие материалы?
В настоящее время среди популярных решений для отвода тепла можно назвать графитовые плёнки, графен, термоинтерфейсные материалы, тепловые трубки, испарительные камеры и полужидкие литые детали. Однако природные графитовые плёнки довольно толстые и имеют невысокую теплопроводность, поэтому они с трудом удовлетворяют требованиям к отводу тепла от мощных высокоплотных устройств будущего, а также не соответствуют высоким стандартам сверхтонкости, лёгкости и долгого времени автономной работы. Поэтому поиск новых сверхтеплопроводящих материалов имеет огромное значение. Такие материалы должны обладать очень низким коэффициентом теплового расширения, сверхвысокой теплопроводностью, а также быть лёгкими и тонкими. Углеродные материалы, такие как алмаз и графен, как раз отвечают этим требованиям: они имеют очень высокую теплопроводность, а их композиты представляют собой класс материалов с огромным потенциалом в области отвода тепла и в настоящее время находятся в центре внимания исследователей.
Преимущества алмаза в теплопроводности и теплоотводе
В ответ на различные ограничения традиционных материалов для корпусирования были разработаны новые теплоотводящие материалы с низким коэффициентом теплового расширения и малым весом. Алмаз, как представитель таких материалов, обладает самой высокой теплопроводностью среди всех природных веществ. Часто говорят, что теплопроводность алмаза в пять раз выше, чем у меди. На самом деле существуют различные типы алмаза, например Ia, Ib, IIa, IIb. Типы I и II различают по спектрам поглощения в ультрафиолетовой и инфракрасной областях, а подтипы a и b — по электронному парамагнитному резонансу. Разные типы алмаза имеют разную теплопроводность; даже алмазы одного типа могут различаться по этому параметру. Теплопроводность алмаза связана с целостностью его внутренней структуры, а также с типом и количеством примесей. Кроме того, для одного и того же типа алмаза теплопроводность меняется в зависимости от температуры, как показано в таблице ниже:
金刚石的导热率（W/mk）
金刚石类型 | 在172K下 | 在80K下 |
Ia | 600~1000 | 2000~4000 |
IIa | 2000~2200 | 15000 |
Теплопроводность алмаза не является фиксированной величиной, она изменяется в определённом диапазоне. В качестве теплоотводящих подложек (радиаторов) в основном используются монокристаллические алмазы типа IIa и поликристаллические алмазы с теплопроводностью, отвечающей требованиям. Их коэффициент теплового расширения составляет примерно 0,8×10⁻⁶/K, и при комнатной температуре они являются диэлектриками.
Принцип теплопроводности алмаза
Алмаз имеет кубическую кристаллическую решётку: каждый атом углерода образует ковалентные связи с четырьмя другими атомами углерода через sp³-гибридизованные орбитали, формируя правильный тетраэдр. Поскольку все валентные электроны локализованы в областях ковалентных связей и отсутствуют свободные электроны, алмаз не проводит электричество. Высокая теплопроводность обычно связана с высокой электропроводностью, однако, в отличие от металлов, которые переносят тепло с помощью свободных (внешних) электронов, теплопроводность алмаза обусловлена в основном распространением колебаний атомов углерода, то есть фононов.
Средняя длина свободного пробега фононов определяется столкновениями между фононами и рассеянием фононов на дефектах твёрдого тела. Такие кристаллические дефекты, как примесные элементы, дислокации и трещины, остатки металлических катализаторов, а также ориентация кристаллической решётки — всё это сталкивается с фононами и вызывает их рассеяние, что ограничивает среднюю длину свободного пробега фононов и снижает теплопроводность.
Чем чище по составу, проще по структуре и меньше примесей содержит материал, тем быстрее движутся фононы и выше скорость теплопередачи. Это объясняется тем, что введение вторых компонентов и примесей вызывает искажение, деформацию и дислокации кристаллической решётки, нарушает её целостность и увеличивает вероятность рассеяния фононов (или электронов). Алмаз состоит только из одного элемента — углерода, и его структура очень проста. Среди четырёх типов алмаза — Ia, Ib, IIa и IIb — тип IIa является наиболее чистым, содержит меньше всего примесей и поэтому обладает самой высокой скоростью теплопередачи.
Кроме того, алмаз характеризуется высоким удельным электрическим сопротивлением, высокой пробивной напряжённостью, низкой диэлектрической проницаемостью и низким тепловым расширением. Эти преимущества делают его явно предпочтительным для решения проблем отвода тепла в мощных оптоэлектронных приборах, что также свидетельствует о его огромном потенциале применения в области теплоотвода.
