金刚石是怎么导热的？

材料的散热需求日益凸显
　　随着科技的不断发展，越来越多的大功率电器和大功率微电子元件逐渐出现，以及人们对电子产品轻薄化和性能高效化需求越来越高，半导体元器件功率密度不断提高，热通量也会越来越大，普通的散热材料已经不能很好地解决散热问题，如何给材料散热降温成为首要难题。
那么在导热散热领域，材料如何选择？
　　目前，比较热门的散热方案主要有石墨片、石墨烯、导热界面材料、热管和均热板以及半固态压铸件。而天然石墨散热膜产品较厚，且热导率不高，难以满足未来高功率、高集成密度器件的散热需求，同时也不符合人们对超轻薄、长续航等高性能要求。因此，寻找超热导新材料具有重要的意义。这就要求这类材料具有低的热膨胀率，高热导率，以及轻薄的体积。金刚石、石墨烯等碳材料刚好满足要求，他们具有很高的导热系数，其复合材料是一类具应用潜力的导热散热材料，目前已经成为人们关注的焦点。
金刚石导热散热的优异性
　　面对传统封装材料的各种限制，发展出来各种新型散热材料，它们具有低热膨胀率以及很轻的质量，金刚石作为上述材料的代表，是自然界中热导率高的物质，人们常说金刚石的导热率是铜的五倍。其实有各种类型的金刚石，如Ia、Ib、IIa、IIb型等，对于I、II型的金刚石是通过金刚石的紫外和红外吸收光谱的不同来区分的，而a、b类是通过电子顺磁共振吸收的不同来区分的，不同类型的金刚石其导热率也不同，就是同一类金刚石的导热率也不一定相同。金刚石的导热率与其内部结构的完整性和所含杂质的种类和含量有关，在不同温度下同一类金刚石的导热率也不一样，如下表：

                                            金刚石的导热率（W/mk）

　　金刚石的导热率不是固定的，有一个变化的范围，作为金刚石散热片的主要是IIa型的单晶金刚石和热导率符合要求的多晶金刚石，热膨胀系数约0.8×10-6/K，且室温下绝缘。
　　金刚石导热原理
　　金刚石是立方晶体结构，每个碳原子都是以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键，构成正四面体，因为所有的价电子都被限制在共价键区域，没有自由电子，所以金刚石不导电。高热传导性与高导电性相关联，不同于金属依靠外围电子进行传热，金刚石的热导性能基本上来自碳原子振动（即声子）的传播。
　　声子平均自由程由声子间的相互碰撞和固体中缺陷对声子的散射决定。金刚石中的杂质元素、位错和裂纹等晶体缺陷，残留金属催化剂及晶格位向等因素都会与声子发生碰撞使其发生散射，从而限制了声子的平均自由程，降低热导率。
　　当物质的成分越单纯、结构越简单、杂质较少时，声子运动就越快，传热速率也就越快。这是由于第二组分和杂质的引入会引起晶格扭曲、畸变和位错，破坏晶体的完整性，增大声子或电子的散射几率。金刚石的组成只有单一元素碳，结构也十分简单，Ia、Ib、IIa及IIb 4种钻石中，IIa纯净、杂质少，因此拥有高的传热速率。
　　以前购买钻石时，有人会用舌尖舔一下，如果感觉舌尖凉凉的，就是真钻；如果暖暖的，就只是玻璃。这个过程其实就是用舌尖当作探针，在宝石上做一次热导率的比较实验。因为玻璃的热导率很小，而真钻的传热速率高达玻璃的千倍以上，因此感觉灵敏的舌尖的确很容易分辨两者的差异。
　　除此之外，金刚石还具有高电阻率和高击穿场强、低介电常数、低热膨胀等特点，其在高功率光电器件散热问题上具有明显优势，这也表明了金刚石在散热领域具有巨大的应用潜力。