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3a32f34ff851a97c7b6353002807f591 目前已知熱導率最高的材質為石墨烯,緊接著就是鑽石,再來就是銀、銅等經常添加在散熱膏裡的材質,可惜石墨烯、鑽石、銀的製備與要價不菲。諸位來自美國不同大學研究室的研究團隊找到砷化硼晶體,熱導率理論值有望與鑽石一樣高,但卻更為便宜。

目前電子零件與散熱片間隙均會塗抹 1 層散熱膏,用以填滿 2 者的不平整表面,以便讓熱量能夠更順利的從電子零件傳遞至散熱裝置。散熱膏內容物絕大部分為氧化矽微粒和矽油,外觀為白色,市售散熱膏之所以有這麼多顏色,絕大部分都是其它增加熱導率添加物的關係,譬如銅會呈現略深的咖啡色,鋁則是灰色,甚至也有添加鑽石微粒而呈現星空點點的產品。

石墨烯的熱導率雖然比鑽石還要高,但是其熱傳導方向呈現方向性,因此絕大部分製作成固體式的導熱墊片。近幾年來還有所謂的液態金屬材質,使用銦、鎵、錫等金屬依不同比例組合,在常溫下呈現液態,譬如 Coollaboratory Liquid Pro 或是 Thermal Grizzly Conductonaut,2 者的熱導率為 80W/mK 和 73W/mk,均比一般矽基散熱膏還要好,不過金屬為電的良導體,使用時務必注意絕緣。

來自美國多個大學的實驗室,共同合作找到可以媲美鑽石熱導率的砷化硼晶體,目前依據不同製備(化學氣相傳輸或是化學氣相沉積)以及測量方式(拉曼光譜學或時間解析熱光反射),得知不同尺寸砷化硼晶體的熱導率大約為 900 W/mk~1300 W/mk,而預測理論值甚至可以高達 2200 W/mk,與鑽石媲美卻更為便宜。

砷化硼熱導率有望追上鑽石,成為便宜又好用的散熱膏材料
▲1 個砷化硼晶體。

目前已知晶體為熱的良好導體,是由於熱藉由聲子(晶格震動)負責乘載,而砷和硼本身的質量差異,造成聲學聲子和光學聲子存在較大的頻率間隙,此特性讓熱在晶體之間的傳導相當有效率。在半導體領域,砷化硼晶體擁有與目前矽半導體類似的能隙 1.5eV,熱膨脹係數也差不多,當整合進入半導體時,由於熱應力降低,可以減少熱界面材料的使用量。

 

資料來源

Boron arsenide crystals could cool computer chips

Researchers upend conventional wisdom on thermal conductivity

High thermal conductivity in cubic boron arsenide crystals

 

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