När spånen krymper och effekttätheterna stiger har termisk hantering blivit den flaskhals som begränsar prestandan. Koppar och aluminium har tjänat industrin i årtionden, men deras värmeledningsförmåga slår i taket. Det är därför som halvledarvärlden vänder sig till ett material med extrema egenskaper: diamant.

Med en värmeledningsförmåga som är fem till sex gånger högre än koppar, är diamant i sig en överlägsen värmespridare. Men att förvandla det till en praktisk termisk lösning har gett tre distinkta teknikvägar -diamant-kopparkompositer, ren CVD polykristallin diamant, ochenkel-diamant. Även om alla delar ordet "diamant", skiljer sig deras prestanda, prispunkter och målapplikationer dramatiskt.

Från vänster till höger: diamant-kopparkompositskiva, genomskinlig CVD polykristallin diamantskiva och klar enkel-diamant - tre materialarkitekturer för samma termiska utmaning.

Diamant-kopparkompositerkombinera syntetiska diamantpartiklar som en termiskt ledande förstärkning med en kopparmatris, tillverkad genom infiltration eller sintring. Mass-producerade kvaliteter når vanligtvis 600–900 W/m·K, medan laboratorieprover med 3D-nätverksarkitekturer har överskridit 1 000 W/m·K. Deras största fördel är en avstämbar termisk expansionskoefficient (CTE): genom att variera diamantvolymfraktionen från 40 % till 70 % kan CTE ställas in på 4–10 ppm/K, matchande kisel, kiselkarbid och galliumnitrid. Den tekniska utmaningen är dålig vätbarhet vid diamant-koppargränssnittet (kontaktvinkel runt 140 grader), vilket kräver karbid-bildande beläggningar som titan eller krom för att skapa en effektiv värmeöverföringsbana.

Ren CVD polykristallin diamantodlas via mikrovågsplasma kemisk ångdeposition (MPCVD) och innehåller ingen metallisk fas. Dess värmeledningsförmåga spänner över ett brett område - ungefär 1 000 W/m·K för lägre kvaliteter och över 2 200 W/m·K för hög-material -, främst beroende på kornstorlek. Större korn innebär färre korngränser och mindre fononspridning, vilket pressar konduktiviteten närmare enkristallnivåer.- Med en CTE på cirka 1 ppm/K, utmärkt elektrisk isolering, kemisk tröghet och hög mekanisk hållfasthet är det ett väl-avrundat termiskt material. Åtta-tums värmespridare är redan i massproduktion. Nackdelen är hårdhet: tärning och polering går långsamt och förbrukar verktyg snabbt, vilket ökar kostnaden avsevärt.

En-kristall diamantrepresenterar den termiska konduktivitetsgränsen för material i fast-tillstånd och levererar konsekvent 2 000–2 400 W/m·K. Den produceras av CVD-homoepitaxi på dedikerade enkristallfrön, vilket kräver extremt noggrann processkontroll. Global produktion är idag koncentrerad till 1–2 tum; 2026 uppnådde Element Six och Orbray repeterbar 3-tums bearbetning, medan 4-tum fortfarande är under utveckling. Kärnutmaningen är defektkontroll och skörd - när storleken ökar, blir dislokationer och tvillingar exponentiellt mer sannolika, och förhållandet med användbar area sjunker kraftigt. Tillämpningar är för närvarande begränsade till prestanda-första sektorer som försvar, satellitnyttolaster och 6G RF-enheter.

Diamant-kopparkompositer kostar för närvarande ungefär 3–5× ren koppar, med 4-tum värmespridare som går in i intervallet under-tusen-yuan. För kostnadskänsliga datacenterinstallationer kan denna premie återvinnas genom prestandavinster och energibesparingar.

Ren CVD polykristallin diamant är avsevärt dyrare - 4-tum värmespridare handlas till cirka 30 000 yuan per skiva. Den dominerande kostnadsdrivaren är elektricitet: MPCVD-verktyg körs kontinuerligt i dagar eller veckor i plasmamiljöer med hög-temperatur, med ström som står för 40–50 % av den totala produktionskostnaden. Avskrivning av utrustning är den näst-största komponenten.

Enkristalldiamant är den dyraste av alla, med 2--tumssubstrat som kostar tiotusentals yuan och tillgången är fortfarande begränsad. Frön av hög-kvalitet är i sig CVD-odlade produkter med långa ledtider och begränsad avkastning. Tillväxthastigheten är bara några mikrometer per timme, vilket innebär att en enstaka wafer kan ta veckor. I kombination med extremt låga skördar på stora ytor gör dessa faktorer en snabb kostnadsminskning osannolik.