С непрерывным развитием технологий появляется всё больше электроприборов и микроэлектронных компонентов высокой мощности, а также растут требования к уменьшению габаритов и повышению эффективности электронных устройств. В связи с этим плотность мощности полупроводниковых компонентов постоянно увеличивается, а тепловой поток становится всё более значительным, в результате чего обычные теплоотводящие материалы уже не способны эффективно решать проблемы теплоотвода, и вопрос о том, как обеспечить охлаждение материалов, становится первостепенной задачей.
Как же выбирать материалы в сфере теплопроводности и теплоотвода? В настоящее время наиболее популярными решениями для теплоотвода являются графитовые пластины, графеновые материалы, теплопроводящие интерфейсные материалы, тепловые трубки, теплораспределительные пластины, а также полупроводниковые литые детали. Однако изделия из природного графита имеют значительную толщину и не обладают высокой теплопроводностью, что не позволяет удовлетворить будущие потребности в теплоотводе для устройств с высокой мощностью и высокой плотностью интеграции, а также не соответствует требованиям к сверхлегким, тонким устройствам с длительным временем автономной работы. Поэтому поиск новых материалов с сверхвысокой теплопроводностью имеет чрезвычайно важное значение. Это требует, чтобы такие материалы обладали крайне низким коэффициентом теплового расширения, сверхвысокой теплопроводностью, а также были легкими и тонкими. Углеродные материалы, такие как алмаз и графеновые нанолисты, как раз соответствуют этим требованиям: они обладают высоким коэффициентом теплопроводности, а их композитные материалы представляют собой класс теплопроводящих материалов с огромным потенциалом применения, который в настоящее время находится в центре внимания.
Теплопроводность алмаза не является фиксированной величиной, а имеет диапазон значений. В качестве материалов для алмазных радиаторов в основном используются монокристаллические алмазы типа 19 и поликристаллические алмазы, теплопроводность которых соответствует требуемым параметрам; их коэффициент теплового расширения составляет примерно 0,8×10⁶ К, и при комнатной температуре они являются изоляторами. Алмаз имеет кубическую кристаллическую структуру, в которой каждый атом углерода образует ковалентную связь с четырьмя другими атомами углерода через гибридные орбитали SP3, образуя правильный тетраэдр. Поскольку все валентные электроны ограничены областью ковалентных связей и свободных электронов нет, алмаз не проводит электричество. Высокая теплопроводность связана с высокой электропроводностью. В отличие от металлов, в которых теплопередача осуществляется за счет внешних электронов, теплопроводность алмаза в основном обусловлена распространением колебаний атомов углерода (т. е. фононных волн).
Средний свободный пробег фононов определяется взаимными столкновениями фононов между собой и рассеянием фононов на дефекты в кристалле. Кристаллические дефекты в алмазе, такие как примеси, диффузионные дефекты и трещины, а также остатки металлического катализатора и ориентация кристаллической решетки — все эти факторы приводят к столкновениям с фононами и их рассеянию, что ограничивает средний свободный пробег фононов и снижает теплопроводность. Чем чище состав вещества, чем проще его структура и чем меньше в нём примесей, тем быстрее движутся фононы и тем выше скорость теплопередачи. Это связано с тем, что введение второго компонента и примесей вызывает кривизну кристаллической решетки, деформации и дислокации, нарушая целостность кристалла и увеличивая вероятность рассеяния фононов или электронов. Состав алмаза состоит исключительно из одного элемента — углерода, а его структура весьма проста. Из четырёх разновидностей алмазов (Ila, Ib, Illb и Ib4) Ila является самой чистой и содержит наименьшее количество примесей, поэтому обладает самой высокой скоростью теплопередачи.
Помимо этого, алмаз обладает такими характеристиками, как высокое удельное сопротивление и высокое пробивное напряжение, низкая диэлектрическая проницаемость и низкий коэффициент теплового расширения, что дает ему явные преимущества в решении задач теплоотвода в высокомощных оптоэлектронных устройствах, что также свидетельствует об огромном потенциале применения алмаза в области теплоотвода. Компания JCB DIAMOND специализируется на производстве и разработке алмазных материалов и обладает отработанными решениями по отводу тепла из алмаза для высокомощных устройств. Её основные продукты включают алмазные теплоотводы, алмазные окна, алмазные диски, гетерогенные интегрированные композитные подложки и тонкоплёночные покрытия AIN. В настоящее время они находят применение в таких областях, как высокомощные светодиоды, лазеры, связь 5G, аэрокосмическая отрасль, новые виды энергетики и графические процессоры (GPU).
