金刚石粉体，撬动散热革命

当前，AI算力高速迭代，高端芯片散热压力持续加大，超高导热的金刚石正成为半导体新材料的热门方向。

金刚石的优异导热能力源于其独特的微观结构，其导热主要依靠晶格振动实现。由于碳原子间形成的C-C键键能极高，且碳原子质量较小，使得原子仅能在势能最小值附近做振动，这一特性赋予了金刚石极高的导热系数。与此同时，金刚石中的价电子均参与成键，无法自由移动，因此兼具优良的绝缘性能，这一“高导热+绝缘”的双重特性，进一步拓宽了其应用范围。

微米或纳米级别的金刚石粉体，具有较为集中的粒径分布、良好的形貌和极高的纯度，内部缺陷少，导热率极高，可以添加进金属基材料中用作热沉、散热基板等；也可作为功能性填料，用于制备导热膏、导热胶、导热垫片等热界面材料。

金刚石微粉制备

目前，工业上金刚石微粉的主要制备方法是静态高温高压-破碎法，即以静态高温高压法制备的粗粒度单晶金刚石颗粒为原料，再通过破碎、提纯、分级等工艺生产。

（1）制备金刚石原料

高温高压法通过在高温（通常为1300-1700℃）和高压（5-7GPa）条件下，以石墨粉、金属触媒粉为主要原料，借助触媒的作用，促使石墨等碳源发生相变转化为金刚石。

（2）破碎、整形

金刚石的破碎与整形工艺直接影响微粉颗粒形状和目标粒度的含量。一般来说，将适度粗粒的物料破碎至微米或亚微米粒度有两种基本方式，即机械冲击和气流粉碎。

（3）分级

粒度分级是金刚石微粉生产工艺中很重要的一道工序，它涉及金刚石微粉的生产效率和质量。目前很多金刚石微粉生产企业是采用自然沉降法和离心法相结合的方式生产由细到粗的全规格微粉。

导热应用一：导热填料最优解

导热填料分散于高分子基体(如有机硅、环氧树脂等)中形成复合材料，然后填充发热元件与散热器之间的微观空隙，降低接触热阻，构建连续的热传导网络，快速导出设备积聚热量，是导热硅脂、垫片、灌封胶等热界面材料的核心原料，直接决定散热系统的效率与稳定性。

图源：Alfa International

金刚石填料凭借超高导热、优异电绝缘性的综合优势，成为高端热管理的最优解。

但是，金刚石填料与基体之间的界面相容性比较差，界面附近容易产生极大的界面热阻，从而严重影响材料整体的热导率。因此，通常需要硅烷偶联剂处理、表面活性剂处理或表面功能化等方法对金刚石进行表面改性处理。

国内导热金刚石填料供应商包括飞孟金刚石、河南天佑、天鉴碳材料等。

河南飞孟金刚石股份有限公司。飞孟金刚石深耕超硬材料四十余载，是国内规模领先、品系齐备、产业链布局最完整的超硬材料供应商之一。针对高端热管理场景，公司打造三大系列金刚石导热填料，已实现批量生产及销售，品质对标国际顶尖标准。

高导热金刚石填料，图源：飞孟金刚石

河南天佑超硬材料有限公司。天佑一直致力于超硬材料的研发，其微米或纳米级别的高导热金刚石微粉，具有较为集中的粒径分布、良好的形貌和极高的纯度，内部缺陷少，导热率极高。

天鉴碳材料有限公司。天鉴导热专用单晶金刚石粉体，从导热效率、热稳定性、纯度及分散性等多维度进行严苛选型，专为导热胶、导热膜、封装基材等高端散热复合材料量身定制。公司产品含有微米级、纳米级导热粉。

天鉴微米标准导热粉

另外，一些企业已经开发了以金刚石为导热填料的导热界面材料产品。国外如Innovation Cooling的IC金刚石导热膏和Alfa International的Alfa Ultratherm 500导热硅脂；国内如上海阿莱德实业集团股份有限公司推出的金刚石导热凝胶TGEL-SP1200等。

导热应用二：高性能金刚石/金属复合材料

基于金刚石高导热、低膨胀系数、低密度等优异物理性能，近年来研究者正在研发以金刚石颗粒作为增强体的金属基高导热复合材料。金刚石/金属复合材料优异的热物理性能，使其在封装领域具有重要的应用潜力。目前，国内外研究主要集中在采用粉末冶金法和液态浸渗法等方法制备金刚石复合材料。传统工艺制备的金刚石/铝复合材料热导率可达250~600 W/(m·K)，金刚石/铜复合材料热导率可高达420~900 W/(m·K)。

金刚石/铜复合材料，图源：尚欣晶工

金刚石粉体是决定复合材料热导率上限的关键原料，其品质、粒度、晶型直接影响最终产品性能。

同样地，金刚石与金属基体之间也存在界面相容性较差的问题，声子在界面处散射严重，导致复合材料的热导率受限，可以通过优化制备工艺、改变金刚石颗粒表面粗糙度和表面化学状态增强界面结合强度，或者通过基体金属合金化、金刚石颗粒表面金属化等引入界面过渡层提升复合材料界面相容性。

当前，完善的产业基础与广阔的市场空间，正推动国内一众企业加速布局金刚石复合散热材料的研发与产业化。

例如，惠丰钻石长近年来持续推进产业布局延伸，连续推出高导热金刚石单晶、高导热金刚石粉体、高导热金刚石复合材料等系列功能导热新材料，构建起“上游原料-中游材料-下游应用”的散热业务全链条协同格局；黄河旋风将半导体散热赛道作为战略转型的核心方向，持续推进“金刚石-铜复合材料”“金刚石-铝复合材料”“金刚石-碳化硅复合材料”等系列散热材料的研发，部分项目已取得重要技术突破。

小结

随着散热需求持续升级，金刚石粉体将迎来广阔发展空间。伴随表面改性、复合工艺的持续优化，其界面应用短板将逐步补齐，金刚石粉体有望成为半导体高端热管理领域的核心刚需材料。

参考来源：

[1]邱涛：导热填料用金刚石表面改性研究

[2]祝平等：金刚石/金属复合材料界面改性研究进展

[3]35页PPT了解人造金刚石微粉.粉体网

[4]金刚石填料，散热界的“硬通货”.粉体网

[5]增材制造金刚石/金属复合材料：粉体选型“避坑”指南.粉体网

[6]企业官网及公众号