美国佐治亚技术研究所(GTRI)的工作人员近日发明了一种掺银的金刚石固态复合材料，其优越的热传导性能在微电子设备应用中崭露头角，这种材料的热传导性要比普通的热传导设备高出一个质的级别。

　　GTRI团队的Jason Nadle教授研发的超薄型掺银金刚石复合材料

　　该研究致力于一种超薄型、不足250微米的掺银金刚石导热垫片的研发。通过调整金刚石和银的成分比例，利用较低的热膨胀应力将垫片固结在大功率宽带隙的半导体上，这一设备可应用于未来的相控阵雷达技术。

　　大功率的半导体通常需要导热垫片将热量传递到鳞状、扇状或管状的散热片上进行散热，从而降低器件温度。由于半导体通常都装配在非常狭小密闭的空间内，导热垫片材料的选择就需要有较高的导热系数，同时还不能过多地占用空间。

　　金刚石具有出色的热传导性能，而银的掺入则使金刚石颗粒能够悬浮在复合材料中，从而使其热传导率比铜高出了将近25%。目前，这种掺银金刚石复合材料在热传导和热膨胀两个重要领域都得到了成功的试验应用。

　　主持研究项目的Jason Nadler说，利用这种掺银金刚石复合材料，器件的温度从285℃降至181℃。该垫片样例含50%的金刚石，仅250微米大小。此外，科学家们还尝试将垫片样例中金刚石成分增加至85%，依然保持低于250微米的厚度;结果显示，增加了金刚石成分比例的垫片的导热性能大大增加。

　　Nadler还补充道：目前，还没有哪一种物质材料的导热性能和厚度尺寸能和这种掺银的金刚石复合材料相媲美;其技术应用前景十分广阔。

　　天然的热导体

　　金刚石是一种天然的热导体材料，热导率可高达2000W/(m•K);而银是热导体性能最好的金属材料之一，热导率为400 W/(m•K)。在金刚石中掺银在以下四个方面有着非常重要的意义：

　　①有助于将松散的金刚石颗粒固结在稳定的基体上

　　②对于尺寸精度要求较高的零件，可以进行精密切割

　　③能够很好地将银本身的热膨胀和待冷却降温的半导体设备的热膨胀相匹配

　　④在金刚石颗粒之间创造一个更有效的散热界面

　　Nadler和他的团队利用金刚石颗粒进行铸模。但像一盘散沙似的金刚石颗粒无法很好的聚集在一起，因此，工作人员利用银基体，这种柔软、延展且有粘性的材料来使得金刚石颗粒聚集，并制成了稳定的复合材料。

　　此外，延展性良好的银基体完全包围着金刚石颗粒，这种结构对于尺寸精度要求高的零件诸如导热垫片可以进行精密切割，从而使这些零件稳固地跟其他界面诸如半导体结合在一起。

　　热膨胀系数的调整

　　任何物质受热后都会依照其本身固有的速率发生膨胀，科学家们将其定义为膨胀的系数，称之为CTE(热膨胀系数)。

　　当质材不同的结构，如宽带隙半导体和导热垫片要结合在一起时，对这两种材料的热膨胀系数进行统一就非常的必要。否则，热膨胀系数不一样的复合固结材料很容易分离开来。

　　金刚石的热膨胀系数仅2 ppm/K，而制造宽带隙半导体的材料诸如碳化硅、氮化镓的热膨胀系数就高达3~5 ppm/K。

　　鉴于此，GTRI团队的工作者就将热膨胀系数为20 ppm/K的银添加至金刚石颗粒中，通过调整金刚石和银的比例成分从而使这种复合材料的热膨胀系数跟宽带隙半导体材料的热膨胀系数保持一致。在加热和冷却过程中通过对金刚石和银的热膨胀系数的匹配调整，研究者们成功将这两种材料固结在一起。

　　金属通过移动电子来导热，而金刚石则是通过声子来导热。在金刚石颗粒中掺入银则可以帮助声子在颗粒间移动并提高热传导率。

　　在导热垫片的面板中高效稳定的填充金刚石颗粒是一项技术性挑战。目前，Nadler的团队已经构建并研制出了图像分析法和相应工具，对他们的实验产物进行结构形态分析;以此来帮助他们研究这种复合材料中的金刚石颗粒分布情况以及银是如何包围在金刚石周围的。(编译自“Taking the Heat: Silver-Diamond Composite Offers Unique Capabilities for Cooling Powerful Defense Microelectronics”;翻译：王现)