热沉材料之王—金刚石热沉片

金刚石，作为“终极半导体”，它结合了极高的击穿电压、出色的结晶度、电学性能和极高的导热系数。在室温下，金刚石的热导率是铜的5倍，是硅的15倍，相比其他物质具有明显的优势。热导率要求1000~2000W/m.k之间，金刚石是首选以及唯一可选热沉材料，是固体物质中热导率最高的晶体。不同种类的金刚石热沉方法也不同。

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，主要通过晶格振动即声子导热。单晶金刚石用作散热主要有两种方式。一种是直接用作替代外延衬底，原位生长材料制备器件，通过器件有源区与金刚石紧密接触，利用金刚石超高的热导率将热量均匀分布到衬底中。另一种是在单晶金刚石结构中加入微通道结构，利用流体将内部热量带出，达到降温的目的。

大面积单晶金刚石衬底主要为开发和产业化多种电子器件提供外延生长衬底。大功率金刚石电力电子器件：其可替代现有的Si、SiC等电力转换器件和开关电源，大幅减小转换器件尺寸，而且无需散热，实现转化效率的大幅提升和功耗的大幅下降，可靠性大幅提升。金刚石电子器件的耗能将是现在使用的器件的1/3-1/5。

超高频大功率金刚石电子器件(微波、毫米波雷达)：可用在火控武器系统、雷达、高速无线通信、火箭及航空航天等领域。可替代现在使用的行波管，使得武器系统和通信系统更加小型化和可靠性的大幅提高，大幅提高通信系统的数据传输速率，大幅降低卫星及其它航天器的重量、发射成本和抗辐照能力。

应用于集成电路芯片：开发基于金刚石的下一代集成电路芯片，彻底解决集成电路散热瓶颈问题，使得集成电路更加大规模化，更加高速化。

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在金刚石上进行器件外延生长。现阶段，通过表面活化键合（SAB）技术，已经实现了多晶金刚石与 Si、GaN、Ga₂O₃等在室温下的键合。

多晶金刚石作为大功率芯片、电子器件散热片方面具备高性能优势，未来随着产量的增加和成本的降低，有望在半导体散热片领域得到大规模应用。目前碳方程MPCVD设备可制备8英寸多晶金刚石，随着 MPCVD 技术的改进升级，有望与现有的 8 英寸半导体晶圆制造生产线相兼容，最终实现多晶金刚石热沉材料在半导体材料产业的规模化应用与推广。

碳方程的50200A MPCVD设备在生长多晶产品方面优势显著，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，更大尺寸的多晶产品意味着更高的生产效率和更低的单位成本，能够满足客户大规模生产的需求。同时，我们的设备在技术方面也有着诸多创新和突破，确保了产品的高质量和稳定性。有效降低生产成本，提高产品的市场竞争力。

纳米金刚石材料用于散热时，通常是作为高热流密度器件的钝化层，它可以在器件表面进行均热，为器件增加一条导热通道，提高器件表面的均温性能。氢等离子体会对氮化镓产生反应刻蚀作用，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高密度形核，同时还需要高定向排列，以此提升金刚石钝化层的整体导热能力。

综上所述，单晶、多晶和纳米金刚石热沉材料凭借各自独特的性能和应用方式，在半导体、航空航天等众多领域展现出巨大的潜力。随着相关技术的不断发展和完善，金刚石热沉材料必将在解决散热难题、推动相关产业升级方面发挥越来越重要的作用，为前沿科技的进步注入强大动力。

单晶、多晶和纳米金刚石热沉材料凭借各自独特的性能和应用方式，在半导体、航空航天等众多领域展现出巨大的潜力。随着相关技术的不断发展和完善，金刚石热沉材料必将在解决散热难题、推动相关产业升级方面发挥越来越重要的作用，为前沿科技的进步注入强大动力。