美國佐治亞技術研究所（GTRI）的工作人員近日發明了一種摻銀的金剛石固態復合材料，其優越的熱傳導性能在微電子設備應用中嶄露頭角，這種材料的熱傳導性要比普通的熱傳導設備高出一個質的級別。         該研究致力于一種超薄型、不足250微米的摻銀金剛石導熱墊片的研發。通過調整金剛石和銀的成分比例，利用較低的熱膨脹應力將墊片固結在大功率寬帶隙的半導體上，這一設備可應用于未來的相控陣雷達技術。

        大功率的半導體通常需要導熱墊片將熱量傳遞到鱗狀、扇狀或管狀的散熱片上進行散熱，從而降低器件溫度。由于半導體通常都裝配在非常狹小密閉的空間內，導熱墊片材料的選擇就需要有較高的導熱系數，同時還不能過多地占用空間。

        金剛石具有出色的熱傳導性能，而銀的摻入則使金剛石顆粒能夠懸浮在復合材料中，從而使其熱傳導率比銅高出了將近25%。目前，這種摻銀金剛石復合材料在熱傳導和熱膨脹兩個重要領域都得到了成功的試驗應用。

        主持研究項目的Jason Nadler說，利用這種摻銀金剛石復合材料，器件的溫度從285℃降至181℃。該墊片樣例含50%的金剛石，僅250微米大小。此外，科學家們還嘗試將墊片樣例中金剛石成分增加至85%，依然保持低于250微米的厚度；結果顯示，增加了金剛石成分比例的墊片的導熱性能大大增加。

        Nadler還補充道：目前，還沒有哪一種物質材料的導熱性能和厚度尺寸能和這種摻銀的金剛石復合材料相媲美；其技術應用前景十分廣闊。

天然的熱導體

        金剛石是一種天然的熱導體材料，熱導率可高達2000W/(m•K)；而銀是熱導體性能最好的金屬材料之一，熱導率為400 W/(m•K)。在金剛石中摻銀在以下四個方面有著非常重要的意義：

① 有助于將松散的金剛石顆粒固結在穩定的基體上

② 對于尺寸精度要求較高的零件，可以進行精密切割

③ 能夠很好地將銀本身的熱膨脹和待冷卻降溫的半導體設備的熱膨脹相匹配

④ 在金剛石顆粒之間創造一個更有效的散熱界面

        Nadler和他的團隊利用金剛石顆粒進行鑄模。但像一盤散沙似的金剛石顆粒無法很好的聚集在一起，因此，工作人員利用銀基體，這種柔軟、延展且有粘性的材料來使得金剛石顆粒聚集，并制成了穩定的復合材料。

        此外，延展性良好的銀基體完全包圍著金剛石顆粒，這種結構對于尺寸精度要求高的零件諸如導熱墊片可以進行精密切割，從而使這些零件穩固地跟其他界面諸如半導體結合在一起。

熱膨脹系數的調整

        任何物質受熱后都會依照其本身固有的速率發生膨脹，科學家們將其定義為膨脹的系數，稱之為CTE（熱膨脹系數）。

        當質材不同的結構，如寬帶隙半導體和導熱墊片要結合在一起時，對這兩種材料的熱膨脹系數進行統一就非常的必要。否則，熱膨脹系數不一樣的復合固結材料很容易分離開來。

        金剛石的熱膨脹系數僅2 ppm/K，而制造寬帶隙半導體的材料諸如碳化硅、氮化鎵的熱膨脹系數就高達3~5 ppm/K。

        鑒于此，GTRI團隊的工作者就將熱膨脹系數為20 ppm/K的銀添加至金剛石顆粒中，通過調整金剛石和銀的比例成分從而使這種復合材料的熱膨脹系數跟寬帶隙半導體材料的熱膨脹系數保持一致。在加熱和冷卻過程中通過對金剛石和銀的熱膨脹系數的匹配調整，研究者們成功將這兩種材料固結在一起。

        金屬通過移動電子來導熱，而金剛石則是通過聲子來導熱。在金剛石顆粒中摻入銀則可以幫助聲子在顆粒間移動并提高熱傳導率。

       在導熱墊片的面板中高效穩定的填充金剛石顆粒是一項技術性挑戰。目前，Nadler的團隊已經構建并研制出了圖像分析法和相應工具，對他們的實驗產物進行結構形態分析；以此來幫助他們研究這種復合材料中的金剛石顆粒分布情況以及銀是如何包圍在金剛石周圍的。（編譯自“Taking the Heat: Silver-Diamond Composite Offers Unique Capabilities for Cooling Powerful Defense Microelectronics”；翻譯：王現）