ダイヤモンドヒートスプレッダーは、ダイヤモンドサーマルスプレッダーまたはダイヤモンドヒートシンクとも呼ばれ、合成ダイヤモンド製の受動部品で、多くのエレクトロニクスや光通信デバイスで発生する有害な熱を放散するのに役立ちます。例には、衛星通信に使用される高出力RFデバイス、高出力レーザ半導体、高出力レーザ鏡、ディスクレーザなどがあります。
典型的なダイヤモンドヒートスプレッダーは、熱源と能動的または受動的に冷却されるヒートシンクの間に置かれる合成ダイヤモンドの薄片（最大2 mm）です。良好な機械的接触が不可欠です。多くの用途では、はんだ付けやろう付けが使用されますが、機械的クランプが使用されることもあります。これらのダイヤモンドヒートスプレッダーは、銅やアルミニウムのような従来の熱管理材料と比較して、いくつかのメリットがあり、効率的な熱放散が重要な用途で価値があります。
電気特性と熱特性の比類ない組み合わせ
ダイヤモンドはその硬さで広く知られていますが、実際には他に2つの特性（電気的特性と熱的特性）があり、これらがヒートスプレッダーでのダイヤモンドの使用が急成長している鍵となっています。
最高の熱伝導率。ダイヤモンドは優れた熱伝導体であり、製品グレードにもよりますが、熱伝導率の値は約1,500～2,200 W/mKです。これは、銅（最大400 W/mK）やアルミニウム（最大220 W/mK）のような他の一般的な材料よりもかなり高い値です。この高い熱伝導性により、ダイヤモンドは他のどの材料よりも効率的に熱源から熱を伝えることができます。
最高の電気絶縁体：電子部品から熱を受け取り、金属製のヒートシンクに放熱するのであれば、なぜダイヤモンドヒートスプレッダーを直接接触させるのではなく、インターフェース層として使用するのでしょうか？その主な理由は、ダイヤモンドが最高の熱伝導体であるだけでなく、優れた電気絶縁体でもあるからです。1世紀以上にわたって電気絶縁に広く使用されてきたガラスやセラミックと同様の電気的特性を持っています。そのため、ダイヤモンドヒートスプレッダーは、可能な限り高い熱流量と電気的絶縁が必要な用途に最適です。ダイヤモンドヒートスプレッダーの応用の多くに高出力の電子部品や光部品が含まれているのはそのためです。
ダイヤモンドのその他のメリット
ダイヤモンドには他にもいくつかのメリットがあり、ヒートスプレッダーの用途によっては重要な考慮事項となります。
軽量。ダイヤモンドヒートスプレッダーが軽量である理由は2つあります。第一に、ダイヤモンドは本質的に軽い材料です。第二に、ヒートスプレッダーは非常に高い絶縁破壊特性を持つ効果的な絶縁体であるため、非常に薄くすることができます。これは、システム全体の重量を最小限に抑えなければならない衛星やその他の航空宇宙用途でメリットとなります。
熱安定性。ダイヤモンドは熱膨張係数が小さく、温度変化に対して大きく膨張したり収縮したりしません。この特性は、熱勾配の影響を受けるヒートスプレッダーのようなデバイスの完全性を維持するのに役立ちます。また、これらのデバイスの長期的な安定性も向上します。
耐食性。ダイヤモンドは、強酸、強塩基、さらに有機溶剤に対する耐性を含め、化学的腐食に対して高い耐性があります。このため、ダイヤモンドヒートスプレッダーは、過酷な環境に遭遇する可能性のある工業用やその他の用途に最適です。
卓越した硬さ。多くの読者がすでにご存知のように、ダイヤモンドは最も硬い物質の1つです。たとえば、合成ダイヤモンドが鋸刃やその他の刃物のコーティングに広く使われているのはそのためです。熱拡散の観点から、この強靱性は機械的耐久性や耐摩耗性が求められる用途に有効です。
光透過性。ダイヤモンドは超高純度で作られた場合、光透過性を備えています。ほとんどのヒートスプレッダー用途では高い光透過性は必要ありませんが、必要な場合は、Coherentはサーマルグレードではなく光学グレードの自社製材料を使用することを推奨しています。
Coherentによるより優れた合成CVDダイヤモンドスプレッダーの作り方
Coherentは、化学蒸着加工方法でダイヤモンドを製造しています。特殊な高温チャンバー内で、炭素を含むメタンガスに強力なマイクロ波を照射してプラズマを発生させます。これにより遊離した炭素原子がダイヤモンドのシード層に堆積し、多結晶CVDダイヤモンドのウエハが徐々に形成されます。
この成長加工方法の調整を通じて、Coherentはさまざまな高性能温度管理用途向けに多結晶CVDダイヤモンドを生成する機能を完成させました。当社は、熱伝導率が2200 W/mKを超える最高グレードなど、複数のサーマルグレードを提供しています。
当社の世界クラスの製造設備を使用すると、お客様の仕様に基づき、直径145 mm、厚さ2 mmまでの部品などを製作することができ、超フラットで超スムーズな設計により、デバイスへの最適な熱接触が実現します。当社のダイヤモンドヒートスプレッダーは、発熱部品から熱を効果的に分散および放散し、エレクトロニクス機器の過熱のリスクを低減して寿命を延ばします。
SiC/Dia/Cuと純Cuスタック上の高出力半導体レーザの熱モデル：このモデルの半導体は、2200 W/mm3の高い内部発熱を生じるようにプログラムされています。左側の6つの構造は半導体/SiC/Ti/ダイヤモンドのスタックで、右側の6つは半導体/銅のスタックです。12個の構造はすべて水冷銅板上に接着されています。
誰がダイヤモンドヒートスプレッダーを使用しているのでしょうか？
ダイヤモンドヒートスプレッダーは、熱問題を管理し、重要なエレクトロニクス部品や光部品の性能と寿命を維持するための魅力的なソリューションです。そのため、当社のヒートスプレッダー製品は、航空宇宙、軍事、高性能コンピューターなど、効率性と信頼性が最優先される産業で使用されています。
具体的な例としては、コンピューターやサーバー、特にデータセンター用途における高性能CPUやGPUが挙げられます。これらの用途では、人工知能（AI）や機械学習（ML）アプリケーションの成長をサポートするために、より高い性能が必要とされています。また、多くのLED照明システム、特に高輝度デバイスを伴うシステムでも使用されています。ダイヤモンドヒートスプレッダーのその他の用途としては、衛星通信に使用される高出力高周波（RF）装置などの衛星および航空宇宙機器があります。
当社のヒートスプレッダーの光学用途には、高出力レーザ半導体やレーザ光学部品があります。また、一部のパワーエレクトロニクス部品に使用されるものも供給しています。そして最後に、eモビリティと自動運転車の急速な成長により、一部の高出力エレクトロニクス部品で使用されるダイヤモンドヒートスプレッダーの新たな市場が生まれています。
ダイヤモンドをサーマルヒートスプレッダーとして使用する必要がある場合、Coherentは最も優れたソリューションを提供できます。
詳しくは、Coherent CVDダイヤモンド基板をご覧ください。
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