電子器件散熱革命：金剛石銅憑什么成為產業(yè)新焦點

隨著電子信息領域的高速發(fā)展，電子及半導體器件朝著小型化、輕量化、高效能發(fā)展。功率密度的顯著增加造成了電子器件使用過程中產生的熱流密度越來越大，如果不能及時散熱，積聚的熱量將會嚴重影響電子器件的工作穩(wěn)定性和可靠性。因此，開發(fā)具有優(yōu)異熱性能的熱管理材料以實現(xiàn)高效散熱是電子產業(yè)發(fā)展過程中的關鍵問題。

現(xiàn)有的電子封裝材料，如W-Cu、Mo-Cu、SiCp-Al、SiCp-Cu以及BeO-Cu等復合材料，均難以滿足未來高功率器件的散熱需求，在高輸出模塊的應用中表現(xiàn)出局限性。行業(yè)內追求更高導熱率的新型材料，金剛石銅就是其中的一種典型復合材料。

電子封裝常用復合材料性能比較

金剛石/銅復合材料

金剛石，作為自然界中硬度最高的物質，同時還擁有極高的熱導率，其熱導率可達到1200W/m·K-2200W/m·K，但是金剛石的熱膨脹系數(shù)極低，僅為1.0ppm·K-1，無法與芯片等半導體材料相匹配。將高導熱金剛石作為增強相，與具有適配熱膨脹系數(shù)，且加工成型性好的金屬結合，得到金剛石增強金屬基復合材料，能夠在保證具有理想熱膨脹系數(shù)和密度的情況下，獲得更為優(yōu)異的導熱性能。

在金剛石/金屬復合材料中，常選用銅、鋁、銀等高熱導的金屬作為基體。其中金屬銀的價格昂貴且密度較大，限制了金剛石/銀復合材料的工業(yè)應用。金屬鋁和金剛石會發(fā)生反應形成易水解、穩(wěn)定性差的Al4C3，嚴重衰退復合材料的導熱性能和使用壽命。相比之下，銅的熱導率接近金屬銀，價格卻遠低于銀，并且熱膨脹系數(shù)與金剛石相差最小，這些特性使得金屬銅更適合作為復合材料的基體。因此，金剛石/銅復合材料成為新一代極具發(fā)展?jié)摿Φ臒峁芾聿牧稀?/p>

圖源：寧波賽墨科技有限公司

金剛石銅的卓越性質

高導熱率是金剛石銅最為突出的特性之一。通過合理的制備工藝和成分設計，目前商業(yè)化的金剛石銅產品熱導率普遍在550-1000W/(m·K)之間，是傳統(tǒng)純銅材料的1.5-2.5倍。這意味著在相同條件下，金剛石銅能夠更快速、高效地傳導熱量，大大提升了散熱效率。以電子設備為例，隨著芯片集成度的不斷提高，單位面積產生的熱量急劇增加，傳統(tǒng)散熱材料難以滿足需求，而金剛石銅的高導熱率則為解決這一問題提供了有效的方案，能夠及時將芯片產生的熱量散發(fā)出去，確保設備穩(wěn)定運行。

熱膨脹系數(shù)可調也是金剛石銅的一大亮點。通過調整金剛石顆粒在復合材料中的體積分數(shù)（通常在35%-70%之間），可以將其熱膨脹系數(shù)精確控制在5×10-6/K至10×10-6/K的范圍內。這一特性使其能夠與多種半導體材料（如硅的熱膨脹系數(shù)為4.2×10-6/K，砷化鎵為5.8×10-6/K）實現(xiàn)良好匹配。在電子器件工作時，由于溫度變化，不同材料的熱膨脹差異會產生熱應力，而金剛石銅與半導體材料相近的熱膨脹系數(shù)，能夠顯著降低熱應力，提高器件的可靠性和使用壽命。

此外，金剛石銅還具備良好的綜合機械性能。它在保持高導熱性的同時，擁有較高的硬度，這使其能夠承受一定程度的外力作用而不易變形；低密度（約5.4g/cm3）的特點則使其在對重量有嚴格要求的領域（如航空航天）具有明顯優(yōu)勢；優(yōu)異的耐磨性保證了其在長期使用過程中，性能的穩(wěn)定性和可靠性。

金剛石銅發(fā)展現(xiàn)狀

金剛石銅市場正處于“技術突破-產能擴張-應用放量”的關鍵階段，相關數(shù)據(jù)顯示，2023年全球金剛石銅市場規(guī)模1.51億美元，中國占比21.65%（約32.76百萬美元），預計2030年全球達3.33億美元，中國份額將升至25%。當前金剛石銅在熱沉市場中滲透率不足2%，伴隨成本下降與技術成熟，2027年有望突破10%。

美、日等國家在金剛石銅領域研究起步較早。據(jù)悉，日本住友電工（Sumitomo Electric）占據(jù)全球74.95%市場份額，其800 W/(m·K)高導熱產品技術領先；美國Materion、Element Six聚焦軍工及航天高端市場。美國安德斯諾公司開發(fā)的金剛石銅最高熱導率可達銅的3倍，金剛石銅、碳纖維鋁等已用于雷達的封裝基板、熱沉和宇宙飛船聚光光伏陣列構件。

金剛石/銅復合材料，來源：元素六

中國廠商升華微電子、寧波賽墨科技有限公司等通過界面金屬化工藝突破，金剛石銅熱導率穩(wěn)定達600-800 W/(m·K)，成本較進口低30%-40%，逐步切入華為、比亞迪供應鏈。政策端，“十四五”新材料規(guī)劃將金剛石列為戰(zhàn)略前沿材料，國產CVD設備市場占有率預計2025年超40%，推動成本下降30%；2025年10月，工業(yè)和信息化部發(fā)布《建材工業(yè)鼓勵推廣應用的技術和產品目錄（2025年本）》。新版目錄共包含67項技術和產品，列入“高端化”的技術和產品共32項，其中就包括高導熱金剛石金屬復合材料。

小結

金剛石銅的崛起并非偶然，它是“結構-性能-應用”協(xié)同發(fā)展的必然結果。當產業(yè)界被“熱瓶頸”束縛發(fā)展腳步時，這種兼具超高導熱性、優(yōu)異力學性能與結構穩(wěn)定性的新材料，恰好提供了完美的解決方案。在國產替代浪潮與下游需求爆發(fā)的雙重驅動下，金剛石銅不僅將改寫電子封裝材料的競爭格局，更將為半導體、通信、新能源等戰(zhàn)略產業(yè)的升級提供關鍵支撐，其成為產業(yè)界新焦點，實屬意料之中。

參考來源

曾婧等：電子封裝用金屬基復合材料的研究進展

崔露露：金剛石增強銅基導熱材料研究進展

QYResearch、先進銅基材料、熱管理實驗室ThermalLink