金刚石/碳化硅：散热界顶配搭档

随着电子设备的集成线路越来越复杂，芯片体积不断缩小，运行过程中积累过多热量，导致设备性能下降，甚至会出现短路等故障。为了确保电子设备稳定、安全和高效地运行，开发具有高导热系数和低热膨胀系数、密度低、抗弯强度优异的封装材料成为研究焦点。

01 金刚石/碳化硅：强强联合的热管理材料

金刚石是目前人类已知热导率最高的天然物质，再加上膨胀系数低、强度和硬度高、化学稳定性好，使其成为理想的热管理材料。而碳化硅也具有较低的热膨胀系数、优良的导热性能等一系列优异性质，将金刚石作为一种增强相与碳化硅相结合，可实现热膨胀系数可调、高导热的金刚石/碳化硅复合材料。相较于金刚石增强的金属基复合材料，金刚石与碳化硅的结构相似，润湿性与热膨胀匹配性要比金属与金刚石好得多。

金刚石/碳化硅复合材料，图源：Coherent官网

02 金刚石/碳化硅复合材料制备工艺

金刚石在高温下容易发生石墨化，转化后的石墨和金刚石相比，热导率和抗弯强度都会大大降低。为了成功制备出金刚石/碳化硅复合材料就必须保证有效的控制金刚石石墨化。而碳化硅基体无法直接渗入金刚石制备的坯体中，因此碳化硅基体往往是通过硅碳反应获得。金刚石/碳化硅复合材料的制备工艺大致分为以下几种。

（1）高温高压烧结法

高温高压烧结法（HPHT）是把金刚石微粉和纯硅粉充分混合均匀后在高温和高压下进行原位反应生成碳化硅，最终得到金刚石/碳化硅复合材料。该方法优点在于在高压环境下烧结，金刚石不易发生明显的石墨化，同时可以有效降低金刚石颗粒之间的间隙，制备出高金刚石体积分数、高致密度的复合材料；但高压工艺对设备要求很高，成本也较高，且制备的复合材料形状受到很大限制。

（2）放电等离子烧结法

放电等离子烧结（SPS）和高温高压烧结法类似，同样是通过高温高压的方式对坯体进行烧结和致密，两者区别在于SPS是利用高能电火花在粉体之间瞬间放电产生高温等离子体放出巨大热量，因此其具有升温速度快、烧结时间短等特点。另外，SPS烧结压力比高温高压烧结法低。

（3）热等静压烧结法

热等静压（HIP）工艺是将金刚石和硅粉放置于密闭容器中，施以各向同等的压力，同时在高温作用下完成材料烧结和致密化。热等静压的压力通常在几百兆帕范围内，其优点是烧结压力较低，能制备较大体积和形状复杂的样品，但制备工艺复杂，生产效率低。

（4）先驱体转化法

先驱体转化法（PIP）是利用碳化硅先驱体（聚碳硅烷）加热裂解后生成碳化硅，并将热解后的碳化硅作为基体，将金刚石颗粒连接起来。该工艺优点是烧结温度低，可制备大尺寸或复杂形状样品，复合材料中无硅的残留，但由于先驱体的转化率较低，往往需要多次循环提高致密度。

（5）化学气相渗透法

化学气相渗透法（CVI）是一种相对温和的工艺，在较低的渗透温度下金刚石颗粒可以保持稳定状态，避免石墨化。与其他技术相比，碳化硅相来源于化学气相沉积在材料表面，因此复合材料中的硅相可以在CVI过程完全消除。该工艺制备的复合材料致密度较低，并且通常用来制备薄片状样品。

（6）熔渗法

熔渗法（RI）是通过加热将固体融化，并渗入制备好的预制坯体中的一种致密化工艺。根据增强相和基体的润湿性不同，可选择压力熔渗和无压熔渗。

将金刚石颗粒和石墨粉混合均匀，使用树脂作为粘结剂，采用冷压或热压成型，制备出坯体。然后将坯体进行脱脂裂解，使粘结剂完全碳化，同时提高坯体孔隙率。最后在真空或惰性气体环境下加热进行渗硅。熔渗过程中，液态硅会与热解碳和加入的石墨粉发生反应生成碳化硅，碳反应完成后，坯体中剩余的孔隙被液态硅填充，形成致密的金刚石/碳化硅复合材料。与其他工艺相比，熔渗法不需要复杂的过程和昂贵的设备，制备工艺简单，却可以实现复合材料的近净尺寸成型。

03 相关企业布局情况

2025年6月，美国Coherent（高意）推出了金刚石/碳化硅陶瓷复合材料，热导率约800 W/(m·K)，明显高于传统铜材料，在保持较高导热能力的同时提高结构稳定性，并且其热膨胀系数与硅高度匹配，可直接适配半导体器件封装。

2026年5月，国内企业黄河旋风自主研发的“金刚石-碳化硅复合材料”项目取得阶段性成果，材料热导率突破700 W/(m·K)，热膨胀系数达到2.6 ppm/℃，与芯片硅衬底热膨胀系数2.5 ppm/℃高度匹配，成功解决了困扰半导体行业多年的热膨胀失配难题。

联合精密的金刚石-碳化硅复合陶瓷产品通过原位反应形成强共价键界面，兼具超高导热与可调热膨胀系数，与芯片完美匹配，显著降低热应力。

另外，安徽尚欣晶工对金刚石/碳化硅复合材料也有研究，其掌握近净成形薄片、六面镀铜技术、金刚石定向排列技术、异形材料制备技术等，能直接成型薄片金刚石/铜、金刚石/铝和金刚石/碳化硅等高导热材料。

参考来源：

[1]洪天祥：金刚石/碳化硅复合材料制备及性能研究

[2]张子建：双连通金刚石／碳化硅复合材料的设计与制备

[3]朱万利等：金刚石/碳化硅复合材料的研究进展

[4]Coherent、黄河旋风、磨料磨具