鑽石金屬(鑽金)的複合材料：電腦晶片的熱透介面：材料世界網

工業鑽石磨粒可以銅或鋁滲透製成鑽石金屬（鑽金）散熱片。這種複合材料不僅熱傳導率遠高於現有的銅散熱片，它的熱膨脹率更可調整，使其與半導體的晶片同步。這樣鑽金散熱片就可直接和晶片銲合，避免熱流被散熱膏阻斷。本文不僅闡述鑽金散熱片的設計理念，也提供諸多的實測結果，作為未來設計電腦CPU 晶片溫度控制的參考。

鑽石散熱片
鑽石在常溫的熱傳導率是銅的五倍，而其熱擴散率更是十倍以上。鑽石可把晶片的廢熱帶走，也能即時降低晶片的溫度梯度，這樣就可避免熱點在瞬間升溫太高（圖三）。鑽石不僅散熱快而且熱脹小，它的抗壓強度(500GPa)也遠遠超過其他材料(<10 GPa)。尤有進者，鑽石抗電壓的能力(崩潰電壓)更遙遙領先其他散熱材料。這意味著以鑽石膜作為封裝結構時， CPU 的電壓及功率可以大幅增加，而使電腦的性能如虎添翼。

圖三、鑽石可有效均溫晶片並消除其熱點。圖示金屬散熱片的溫度梯度比鑽石大很多（即熱阻較高）。DiAl 為鑽鋁的複合散熱片

雖然鑽石的散熱效果良好，但因其價格昂貴，並不適合大量用在CPU 上。有鑑於此，宋健民乃發明鑽石結合金屬的複合材料，利用廉價（每克拉1 毛美元）工業鑽石磨粒為骨材，再以銀、銅或鋁滲透其間，製成鑽金（鑽石金屬）散熱片。金屬催化劑（如鐵鎳合金）將石墨轉化成鑽石可一次形成鑽石−石墨及金屬的三元複合散熱片（圖五）。鑽石磨粒除了可以提高金屬的熱傳導率外，也能降低後者的熱膨脹率。矽晶片及半導體的熱膨脹率遠低於金屬，因此銅散熱片不能銲接在CPU 上，只好以流質的熱介面材料(Thermal Interface Materials; TIM)填充其間。TIM 的熱傳導率不到銅片的百分之一，因此它其實是一種斷熱材料，反而會使晶片上的熱點凝聚不散。宋健民也曾發明以鑽石微粉加入流質的散熱膠使TIM 的熱傳導率提高至約7 W/mK ，但它仍比金屬銲料傳熱慢得多。若鑽石磨粒可把金屬的熱膨脹係數降到半導體範圍，鑽金散熱片就可直接銲在晶片上，乃至下游的熱沈(Heat Sink)上，這樣就可將晶片和熱沈連成一體，避免熱流被TIM 阻斷。

圖五、以宋健民專利DiaCan^TM技術可合成密集的排列鑽石，因此可能直接由石墨製成鑽金散熱片

鑽銅及鑽鋁
由於熔融的銅不能潤濕鑽石，必須在超高壓下才能滲透並填滿鑽石磨粒間的空隙，這樣就可製成各種形狀的鑽銅散熱片。鋁可勉強潤濕鑽石，故可在低壓下製成鑽鋁散熱片，鑽金複合材料的外部可形成金屬表層。這樣就可加工磨平，乃至銲接在晶片或熱沈上。鑽金散熱片內的鑽石體積比率越高，熱傳導的速度也會加快（圖十）。然而顆粒粗的鑽石磨粒，其體積比難以提高。但細粒的鑽石磨粒表面熱阻加大，也不利於傳熱。根據實驗，鑽金散熱片的最佳粒度及體積比率。

圖十、鑽金散熱片的內部構造顯示鑽石顆粒密集緊靠，可縮短熱流在金屬內的傳播路徑

鑽金散熱片產品
自從2002 年由美國Adranced DiamondSolutions (ADS)推出中砂製造的DiCu 及DiAl 的HeaThru^TM 鑽金散熱片後，若干公司在2008 年也試製相似產品，例如奧地利的Plansee及台灣的Advonced Diamond Technology 等。2008年底Electronics Cooling, 14-4, p18-24 刊載了Plansee 鑽金散熱片的製程及產品(Ravi Bollina & Sven Knippscheer, Advanced Metal Diamond Composites-Love & Heat Relationship)。Plansee 鑽金散熱片的熱傳導率及熱膨脹率的範圍。圖十七為該鑽金散熱片的表層狀態。

圖十七、Plansee 鑽金散熱片的表層

單層鑽石鑽鋁散熱片
多層鑽石的複合材料鑽石分佈不均，增加了熱阻。單層鑽石不僅可以規則排列，使鑽石體積比極大化，而且其製造成本也可大幅降低。單層鑽石靠排列立方體的大顆鑽石（如1mm）才能發揮最大效果。一般的工業鑽石顆粒很小(<0.5mm)，而且形狀不規則，難以排列。台灣現已發展出DiaCan^TM 技術可以將晶種排列生長成大顆粒的鑽石，這是全球首創的鑽石生長法，可以大幅提高鑽石的單產（9 克拉/㏄）及品質（晶形完整）。DiaCanTM 技術不僅可降低生產成本，更可長出立方體的鑽石，如圖廿四所示。立方晶可密集排列後以熔鋁滲透，製成單層鑽石散熱片，其鑽石的熱傳導率可能超過1000 W/mK ，比銅高兩倍以上。根據估計，以DiaCanTM 大量生產0.5mm 立方晶鑽石的成本約為NT 200 ，每個DiaCanTM 每小時可產出約5000 顆鑽石，故每顆的成本可低至不及NT$0.1 。CPU 的晶片小於1cm ，若散熱片的面積為2×2 cm ，需1600 顆鑽石立方晶，其成本約NT$160 。加上滲透鋁及其他製作費（如鑲入41×41m的標準銅片），每個CPU 的散熱片可能售價為NT$300 。另外根據Plansee 的估計，鑽金散熱片的熱傳導率及相對價格，如圖廿六所示。雖然該類散熱片比大量使用的銅散熱片仍貴數倍，但因鑽鋁散熱片可使CPU 的時脈突破4GHz ，所以它有望成為未來超速電腦的新寵兒。

圖廿六、45×45×2mm 散熱片的價格範圍