加里·卡迪斯发自工程社区CR4
纳米技术晶胶电池，微电子设计和半导体制造继续使微电子收缩，并提高了微处理器，电力电子，RF芯片和其他有源器件的性能。用于电容器和电阻器等无源组件的当前可用技术限制了进一步的优化。增强型无源设备可以改善用于军事，通信，石油和天然气，工业和消费类应用的无线和电源转换产品的操作特性。业界需要能够处理高功率密度，高频率和高工作温度的无源设备。
无源元件介电电容器的工作温度。资料来源：IEEE / IET纳米电介质
5G无线基础设施和先进的相控阵雷达系统需要能够在8 GHz以上，功率级别高于100 W的RF电阻器工作。美国空军和军方一直对改进电介质感兴趣，以减小无源组件的尺寸和重量并提高性能因为在一架飞机上有成千上万个电容器。无源器件是汽车引擎，定向能武器，能量转换器，功率调节器，电动汽车（EV）系统，能量存储系统和工业设备中功率管理和控制的关键要素。
美国能源部（DOE）为高温电容器的开发提供了资金，因为石油和天然气运营中的井下传感器和电子设备会暴露在高温下。高温电容器可以在更高温度的环境中进行更深的勘探，降低电子冷却要求并减少因过热而造成的器件损耗。根据2018 IET纳米介电材料的数据，聚碳酸酯（PC）和聚醚酰亚胺（PEI）介电膜的工作温度限制为150°C，甚至氟化乙烯丙烯（FPE）含氟聚合物和钛酸酯陶瓷介电体的工作温度均限制在200°C文章“ 用于高温度的电容器的介电材料”。高介电强度和出色的导热性使钻石成为无源设备中理想的电绝缘材料。金刚石电介质可以使无源器件在更高的温度（可能超过400°C）下继续运行，其重量和尺寸可减少多达十倍。
高性能CVD金刚石电阻器
电阻薄膜元件形成在CVD金刚石基板上。金刚石电阻器件采用紧凑轻巧的封装，具有高功率性能和宽频响应。金刚石射频电阻器件可以在级之间提供改进的VSWR。金刚石电阻器件在使用氧化铍（BeO）和氮化铝（AlN）的封装的情况下，可以处理五倍于五倍功率和十倍更高频率的功率。能够在S波段以上工作的大功率电阻器的制造要求将其寄生电气特性降至最低。
适用于DC至26.4 GHz应用的CVD金刚石电阻器。资料来源：史密斯互连
高性能DLC和CVD金刚石电容器
缩小尺寸并增强电容器的功率存储能力也将有助于缩小电子设备，并利用基于氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）的功率电子设备改善功率转换系统的性能。CVD金刚石电容器的高能量密度（每立方厘米2焦耳以上）和高温能力为生产小型，轻便和耐用的电子产品提供了一种方法。
类金刚石碳膜和其他电容器技术的比较。资料来源：IEEJ电容器介电材料
介电金刚石涂层
未掺杂的CVD金刚石具有出色的电绝缘或介电性能，例如5.7的低介电常数，145 GHz下的损耗正切值低于0.00005，室温电阻率为10E + 16 ohm-cm和1,000,000 V / cm的高介电强度或10,00 kV / cm。Femto Science声称，钻石可以具有任何材料中最高的介电强度：30 MV / cm或30,000 kV / cm。当然，实际的电阻率和介电强度会受到杂质，掺杂物，结构，相互连接的孔隙率，热膨胀失配引起的缺陷和微裂纹的极大影响。
金刚石和其他电绝缘材料的介电常数，电阻率和热性质。资料来源：NIST，制造商和研发文献
新兴的纳米晶金刚石涂层可能具有克服微裂纹问题的韧性。介电CVD金刚石涂层或块状材料具有出色的导热性和化学惰性，耐腐蚀性和极高的耐刮擦性，除了提供电绝缘外，还可以提供散热和环境保护。在2008年IEEE第二届电子系统集成技术会议论文中，“保形涂层电子组件的当前泄漏故障”，作者指出，偶尔发现小型陶瓷电容器在某些应用中会发生故障，造成巨大的经济损失，尤其是当覆盖有厚的有机硅保形涂层时。研究人员认为，当残留的水分与助焊剂残留以及其他有机或离子污染通过保形涂层扩散时，就会发生介电失效。可能在陶瓷封装电子设备顶部沉积的非导电金刚石膜代替保形涂层可以提供腐蚀和环境保护，同时允许通过保护性介电金刚石涂层进行额外的散热。
CVD金刚石沉积通常发生在700°至900°C的范围内。阿尔贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的专利技术可以沉积纳米晶金刚石膜，同时使基板温度保持在400°C以下。虽然400°C的基板温度是硅上金刚石应用的推动力，但对于常规焊接的电路板而言，温度可能太高。通孔组件通常在370°C下焊接，表面安装组件在315°C下焊接。
电容器介电材料比较。资料来源：IEEJ电容器介电材料
如果金刚石保形涂层的工艺温度低于焊料温度，则金刚石电介质涂层有一天可能在印刷电路板（PCB）上可行。超高温焊料合金或导电胶电路连接可以使介电CVD金刚石膜用于PCB或陶瓷封装设备上的保形涂层。尽管类金刚石碳膜不具有CVD金刚石的介电性能，但基材可以保留在室温下，而DLC涂层仍可以具有优于聚合物膜的介电强度，耐磨性和耐环境性。
虽然对于PCB应用而言，基板沉积温度过高，但金刚石电介质膜可能会替代LTCC和HTCC封装的微电子器件的玻璃或玻璃糊气密密封。在高辐射水平会破坏传统的气密密封或介电涂层的军事和航空航天应用中，保护性金刚石涂层可能有用。无论如何，介电金刚石涂层是介电光学镜，透镜和窗户应用的理想选择。当前，对于功率水平超过1 MW的大功率微波管（回旋管）的边缘冷却金刚石窗口引起了极大的兴趣。
纳米金刚石填充电绝缘
2015年，ABB获得了一项专利，一种用于电机绝缘的导体装置，用于负载纳米级金刚石的绝缘材料隔离电动机，发电机和其他电力设备中的电导体。纳米金刚石颗粒填充层将替代云母-树脂复合物。许多机器制造商目前都在使用真空压力浸渍（VPI）技术。将云母带层缠绕在导体上，然后用热固性树脂浸渍云母带层。最后，将组件热固化以形成主壁绝缘体晶胶电池，即一种云母树脂复合电介质。云母树脂绝缘材料的变化已经使用了100多年。金刚石的介电强度是云母的16.9倍，因此，为达到相同的绝缘性能，需要的金刚石层要薄得多。此外，钻石的导热系数是云母的1,000倍以上，这样可以减少电动机，发电机，变压器和电机的过热。纳米金刚石填料的添加还可以提高树脂复合材料的机械强度。金刚石材料，第3部分中讨论了纳米金刚石添加剂在介电变压器中的散热增强作用。
填充了介电云母的层压板和复合材料（例如ABB Resolam，Vetresit和Vetrelam品牌）被广泛用于制造发电机的转子绝缘体。资料来源：ABB
结论
金刚石具有出色的介电性能，而金刚石的独特光学性能（低热膨胀性，高光学透明度和在宽波长范围内的透射率）则有望用于高性能显示屏，光学窗，辐射探测器和光子学设备。
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