金刚石：开启散热新时代的热沉材料王者

发布时间：2025-01-10 17:18:43 | 浏览量： 77次

在科技的微观世界里，有这样一个看似平凡的透明小方块，它就是人造金刚石。人造金刚石不仅能被精心雕琢、镶嵌，摇身一变成为珠宝行业中璀璨夺目的钻石饰品，更因其卓越的材料特性，被誉为 “终极半导体”。它具有极高的击穿电压、出色的结晶度、优良的电学性能以及超高的导热系数等特性。在 30-650℃的温度区间内，金刚石在固体物质中脱颖而出，是热导率最高的晶体。

晶体的热导率取决于热容、声子平均自由程和声子速度这三大要素，这些因素共同造就了金刚石极高的热导率。在室温环境下，金刚石的热导率达到了铜的 5 倍，硅的 15 倍，相较于其他材料，优势显著。当热导率要求处于 1000 - 2000W/m.k 的区间时，金刚石无疑是热沉材料的首选，甚至是唯一可选材料。

仅凭这一突出优势，金刚石材料在散热领域独占鳌头。而且，不同类型的金刚石，其热沉方法也各有千秋。

单晶金刚石材料

单晶金刚石是金刚石材料类中热导率最高的一种，这与其晶体结构密切相关，其导热主要依靠晶格振动，也就是声子导热。单晶金刚石在散热方面主要有两种应用方式。第一种，可直接作为替代外延衬底，原位生长材料来制备器件，通过让器件有源区与金刚石紧密贴合，借助金刚石超高的热导率，将热量均匀地扩散到衬底之中。第二种，在单晶金刚石结构内引入微通道结构，利用流体将内部热量带出，从而实现降温的目的。

大面积单晶金刚石衬底主要用于为多种电子器件的开发和产业化提供外延生长衬底。在大功率金刚石电力电子器件方面，它能够替代现有的 Si、SiC 等电力转换器件和开关电源，不仅能大幅缩小转换器件的尺寸，而且无需额外的散热装置，便可实现转换效率的大幅提升、功耗的显著降低，以及可靠性的极大增强。据测算，金刚石电子器件的耗能仅为现有器件的 1/3 - 1/5。在超高频大功率金刚石电子器件（微波、毫米波雷达）领域，其可应用于火控武器系统、雷达、高速无线通信、火箭及航空航天等关键领域。它能够替代现有的行波管，使武器系统和通信系统更加小型化，可靠性大幅提高，还能显著提升通信系统的数据传输速率，大幅减轻卫星及其他航天器的重量，降低发射成本，增强抗辐照能力。此外，在集成电路芯片领域，基于金刚石开发的下一代集成电路芯片，有望彻底攻克集成电路散热瓶颈问题，推动集成电路朝着更大规模、更高速度的方向发展。



多晶金刚石材料

目前，将金刚石用作功率器件的热沉或衬底，已经研究出多种成熟的技术形式，其中主要包括基于衬底转移技术的金刚石键合、基于金刚石钝化层的低温沉积以及金刚石上的器件外延生长。现阶段，多晶金刚石与 Si、GaN、Ga₂O₃等材料的室温键合，已经通过表面活化键合（SAB）技术成功实现。

多晶金刚石在作为大功率芯片、电子器件散热片时，展现出高性能的显著优势。随着未来产量的不断攀升以及成本的逐步下降，有望在半导体散热片领域得到大规模的应用。当前，4 英寸电子级多晶金刚石已经实现商业化量产，国际上最大制备尺寸可达 8 英寸。随着 MPCVD 技术的持续改进与升级，未来有望与现存的 8 英寸半导体晶圆制造产线相兼容，最终推动多晶金刚石热沉材料在半导体材料产业中实现规模化的应用与推广。

而碳方程最新发布的50200A MPCVD 设备在大尺寸金刚石生产方面取得了重大突破，该设备采用915MHZ的微波频率，单炉可生产8英寸多晶产品，若用于生产单晶金刚石，单炉能够稳定产出多达 489 片尺寸为 7*7mm 的单晶金刚石。设备运行功率方面，采用50KW大功率装置，达到大尺寸金刚石的量产条件。

在当前的小批量试生产阶段，该设备已成功验证其卓越性能，所生产的 8 英寸热沉片在关键性能指标上表现卓越，达到了行业前沿水平，为推动金刚石的大规模工业化生产以及拓展大尺寸材料的广泛应用奠定了坚实基础，有望在金刚石材料产业竞争格局中占据重要的一席之地，进一步助力中国在金刚石晶圆领域迈向新的高峰。



纳米金刚石材料

纳米金刚石材料在散热方面，通常作为高热流密度器件的钝化层，能够在器件表面起到均热的作用，为器件开辟一条额外的导热通道，进而提升器件表面的均温性能。然而，氢等离子体对氮化镓具有反应刻蚀作用，这就导致在器件上直接沉积金刚石的方法，需要在低温条件下进行，并且需要进行耐氢设计。在耐氢保护层表面，金刚石需要实现均匀且高密度的形核，同时还需保持高定向排列，以此提升金刚石钝化层的整体导热能力。

哈尔滨工业大学与中国电子科技集团有限公司 55 所携手合作，研制出纳米金刚石钝化 GaN 器件，在 600℃的条件下成功制备出晶粒尺寸可控的纳米金刚石钝化层，实现了高导热金刚石层对器件表面的全覆盖。不过，纳米金刚石热导率相较于单晶仍有差距，散热效果存在一定局限，还有很大的探索空间。

金刚石典型的热管理应用场景涵盖了金刚石增强金属封装材料（Diamond/Cu、Diamond/Al）、热沉片、金刚石衬底 GaN 器件等。将金刚石基热沉应用于激光器的散热系统，能够实现高效的热量传输与散热，有效降低激光器的工作温度，提高激光器的稳定性和使用寿命。

据相关数据显示，2020 年全球 CVD 金刚石散热器市场规模为 1.1 亿美元，预计到 2032 年，市场规模将飙升至 2.7825 亿美元，预测期内的复合年增长率为 8.1% 。

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