Avec l'itération rapide de la puissance de calcul de l'IA et les défis croissants en matière de dissipation thermique dans les puces-haut de gamme, le diamant à conductivité thermique ultra-émerge comme un matériau semi-conducteur prometteur. La conductivité thermique exceptionnelle du diamant provient de sa microstructure unique, reposant principalement sur les vibrations du réseau pour le transfert de chaleur. Les liaisons C-C extrêmement fortes entre les atomes de carbone, combinées à la petite masse atomique du carbone, limitent les atomes à des vibrations proches du minimum d'énergie potentielle-conférant au diamant une conductivité thermique extraordinairement élevée. Pendant ce temps, tous les électrons de valence du diamant participent à la liaison et ne peuvent pas se déplacer librement, ce qui leur confère une excellente isolation électrique. Cette double caractéristique « haute conductivité thermique + isolation » élargit encore son champ d'application.
Les poudres de diamant à l'échelle micrométrique- ou nanométrique-, caractérisées par une distribution granulométrique concentrée, une morphologie bien-définie, une grande pureté, peu de défauts internes et une conductivité thermique extrêmement élevée, peuvent être incorporées dans des matériaux à matrice métallique-pour être utilisés comme dissipateurs thermiques, substrats de propagation de la chaleur-, etc. Ils servent également de charges fonctionnelles dans les matériaux d'interface thermique (TIM) tels que les graisses thermiques, les adhésifs thermiques et les tampons thermiques.
Préparation de micropoudre de diamant
Actuellement, la principale méthode industrielle de production de micropoudres de diamant est la voie de concassage statique à haute-température et haute-pression (HPHT) : des particules de diamant monocristallin-à grains grossiers-synthétisées via HPHT sont utilisées comme matière première, qui sont ensuite soumises à des processus de concassage, de purification et de classification.
(1) Synthèse du diamant– La méthode HPHT fonctionne généralement à des températures élevées (1 300 à 1 700 degrés) et à des pressions élevées (5 à 7 GPa), en utilisant de la poudre de graphite et des poudres de catalyseur métallique comme matières premières principales. Sous l’action du catalyseur, la source de carbone (graphite) se transforme en diamant.
(2) Concassage et façonnage– Les processus de concassage et de mise en forme affectent directement la forme des particules et le rendement en tailles de particules cibles. Généralement, la réduction des matières premières grossières à des tailles micrométriques ou submicroniques est obtenue par deux méthodes de base : l'impact mécanique et le broyage par jet.
(3) Classification– La classification granulométrique est une étape critique dans la production de micropoudres de diamant, influençant à la fois l’efficacité de la production et la qualité du produit. De nombreux fabricants combinent actuellement la sédimentation naturelle et la centrifugation pour produire une gamme complète de micropoudres, allant des qualités fines à grossières.
Application thermique 1 : la charge thermiquement conductrice optimale
Les charges diamantées sont dispersées dans des matrices polymères (par exemple, silicones, résines époxy) pour former des composites, qui comblent les espaces microscopiques entre les composants générateurs de chaleur- et les dissipateurs thermiques, réduisent la résistance thermique de contact et établissent des réseaux de conduction thermique continus pour dissiper rapidement la chaleur accumulée. En tant que matière première de base des TIM tels que les graisses thermiques, les tampons et les encapsulants, la poudre de diamant détermine directement l'efficacité et la stabilité du système de gestion thermique.
Application thermique 2 : Composites diamant/métal hautes-performances
Tirant parti de la conductivité thermique élevée, du faible coefficient de dilatation thermique et de la faible densité du diamant, les chercheurs développent activement des composites à matrice métallique renforcés de particules de diamant pour des applications à haute conductivité thermique. Les propriétés thermophysiques exceptionnelles des composites diamant/métal les rendent très prometteurs pour le packaging électronique. Les recherches actuelles se concentrent principalement sur les méthodes de fabrication telles que la métallurgie des poudres et l'infiltration de liquides. Les composites diamant/aluminium traités de manière conventionnelle atteignent des conductivités thermiques de 250 à 600 W/(m·K), tandis que les composites diamant/cuivre peuvent atteindre 420 à 900 W/(m·K).
La poudre de diamant est la matière première clé déterminant la limite supérieure de la conductivité thermique du composite ; sa qualité, sa taille de particule et sa morphologie cristalline affectent directement les performances du produit final. De même, une mauvaise compatibilité interfaciale entre les matrices de diamant et de métal-entraînant une forte diffusion de phonons aux interfaces-limite la conductivité thermique du composite. Ceci peut être atténué en optimisant les processus de fabrication, en modifiant la rugosité de surface et les états chimiques des particules de diamant pour améliorer la liaison interfaciale, ou en introduisant des couches de transition interfaciales via un alliage matriciel ou une métallisation de surface des particules de diamant.
Fortes d'une base industrielle solide et de vastes opportunités de marché, de nombreuses entreprises nationales accélèrent la R&D et l'industrialisation des matériaux composites de gestion thermique à base de diamant.