金刚石因具有极高的热导率、优异的化学稳定性和电学绝缘性，成为高功率电子器件热沉的理想材料。

金刚石热沉

金刚石热沉的制备方法

金刚石热沉的制备核心是获得高纯度、高致密性、低缺陷的金刚石材料，且需通过后续加工满足器件的尺寸与平整度要求。根据金刚石生长方式的不同，主流制备方法可分为化学气相沉积（CVD）法、高温高压（HPHT）法及多晶金刚石烧结法，三者在工艺原理、产物特性和适用场景上存在显著差异。

化学气相沉积（CVD）法

主流制备技术 CVD法是目前制备高质量金刚石热沉最常用的方法，其原理是在高温、低压环境下，通过气体前驱体（如甲烷、氢气）的分解与重组，在衬底（如硅、钼、碳化硅）表面沉积出金刚石薄膜或块状单晶/多晶金刚石。

高温高压（HPHT）法

传统单晶制备技术 HPHT法是最早实现人造金刚石工业化的方法，其原理是在高温、高压环境下，以石墨为碳源、金属为催化剂，使石墨转化为金刚石单晶。

- 优势：可制备大尺寸金刚石单晶，晶体完整性好，热导率高；

- 劣势：

- 产物中易残留催化剂金属杂质，需通过高温酸处理去除，工艺复杂；

- 难以制备薄型或大面积热沉（受高压腔体尺寸限制）；

- 成本高于HFCVD多晶金刚石；

- 适用场景：小尺寸、高功率器件热沉，如微波射频芯片、量子点激光器。

多晶金刚石烧结法

低成本厚块体制备技术 多晶金刚石烧结法以纳米/微米级金刚石粉末为原料，在高温高压或常压高温条件下，通过颗粒间的扩散与结合形成致密的多晶金刚石块体。

- 优势：

- 原料成本低，可批量生产厚块体材料；

- 可通过调控粉末粒度优化热导率；

- 劣势：

- 需添加烧结助剂，可能引入杂质导致热导率下降；

- 产物存在晶界缺陷，热阻高于单晶金刚石；

- 适用场景：对成本敏感、需厚尺寸的热管理场景，如功率半导体模块、汽车电子热沉。

金刚石热沉的性能特点

金刚石热沉的性能优势源于其独特的晶体结构，同时也存在部分技术局限性，具体可从热学性能、电学与化学性能、力学性能三方面分析：

核心优势：卓越的热学性能

这是金刚石热沉最关键的性能，主要体现在以下两点：

- 极高的热导率：纯单晶金刚石的热导率可达2000-2500 W/(m·K)，是铜的5-6倍、碳化硅的4-5倍、氧化铝的60-80倍，能快速传导高功率器件产生的热量，避免局部过热；

- 低的热膨胀系数（CTE）：金刚石的CTE约为1.0-1.5 × 10^-6/K，与硅、碳化硅等半导体材料的CTE匹配性好，可减少因温度变化导致的界面应力，提升器件可靠性。

重要辅助性能：电学绝缘与化学稳定

- 电学绝缘性：纯金刚石为优异的绝缘体，体积电阻率＞10¹⁴Ω·cm，可直接用于需要电隔离的器件，无需额外绝缘层，减少界面热阻；若需调控电学性能，可通过掺杂硼（制备p型半导体）或氮（制备n型半导体），但会导致热导率下降；

- 化学稳定性：金刚石在常温下不与酸、碱反应，仅在高温下与氧气反应生成CO₂，可在恶劣化学环境中长期使用，且表面不易氧化或腐蚀，延长热沉使用寿命。

力学性能：高强度与高硬度

- 金刚石的硬度和弹性模量均为已知材料中最高，具有优异的抗磨损、抗冲击性能，在器件封装和使用过程中不易变形或损坏；

- 但高硬度也导致金刚石加工难度大（需使用激光切割或金刚石砂轮抛光），增加了制备成本。

主要局限性

- 高成本：无论是MPCVD单晶金刚石还是HPHT单晶，制备过程能耗高、周期长，导致热沉成本远高于铜，限制了其在消费电子等低成本场景的应用；

- 界面热阻问题：金刚石与器件/散热基板的界面结合力较弱，且两者间的声子失配（热传导的主要载体是声子）会导致界面热阻较高（通常＞10 m²·K/GW），需通过金属化或纳米涂层改善；

- 尺寸与厚度限制：MPCVD虽可制备大尺寸薄膜，但厚度通常＜1 mm；HPHT和烧结法可制备厚块体，但尺寸受设备限制，难以满足大面积器件的需求。

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