金刚石热沉是大功率半导体器件的理想散热方案，能显著提升器件功率密度、可靠性和寿命。

金刚石热沉

为什么大功率半导体器件需要金刚石热沉？ 

大功率半导体器件在工作时，会因能量转换损耗产生大量热量。随着技术发展，器件特征尺寸不断缩小，功率密度（单位面积产生的热量）急剧上升。高温会带来一系列致命问题：

- 性能下降：载流子迁移率降低，导致开关速度变慢、导通电阻增加。

- 可靠性劣化：结温每升高10-15℃，器件寿命约减半。高温是器件老化、失效的主要原因。

- 效率降低：特别是对于激光器（LED/LD），温度升高会引起“效率骤降”效应，光输出功率大幅下降。

- 系统不稳定：热应力可能导致材料膨胀系数不匹配，引发结构损坏。

传统散热材料的导热能力已接近极限。金刚石凭借其2200 W/(m·K)左右的极高导热率，成为解决这一热管理难题的关键。

金刚石热沉在大功率半导体中的具体应用形式

在实际应用中，金刚石主要通过以下几种形式集成到器件中，每种形式对应不同的技术路线和优势。

作为衬底

这是最直接、最有效的散热方式，将器件的有源区直接制备在金刚石上或通过键合与金刚石紧密结合。

金刚石上生长GaN：

- 工艺：首先在标准衬底上生长GaN外延层，然后通过键合技术将GaN层转移至金刚石衬底，并移除原衬底。或者，采用更先进的技术直接在金刚石上异质外延生长GaN（技术难度极高，但是前沿方向）。

- 优势：热量从GaN有源区（沟道）产生后，仅需穿过极薄的材料即可被下方的金刚石衬底快速导走，热阻极低。

- 应用场景：5G/6G基站射频功率放大器（GaN HEMT）、军用雷达T/R组件。这是当前应用最成功、商业化程度最高的领域之一。

芯片键合：

- 工艺：将制备好的半导体芯片通过共晶焊（使用金锡AuSn等焊料）或低温键合技术，直接倒装焊在预先加工好的金刚石热沉上。

- 优势：工艺相对灵活，可应用于各种类型的芯片。金刚石热沉在此作为高效的“热桥梁”。

- 应用场景：高功率激光器巴条、微波模块。

作为热扩散层

这是目前较为常见和实用的应用形式，尤其在模块级封装中。

- 工艺：将一块薄片状（通常几百微米厚）的金刚石热沉置于发热芯片和宏观散热器之间。

- 功能：金刚石的核心作用不是最终散走热量，而是“均热”。它将芯片局部热点产生的巨大热流迅速在二维平面上扩散开，将“点热源”转化为“面热源”，再传递给后续的散热系统。这避免了热量在芯片下方堆积，显著降低了结温。

- 应用场景：

- 大功率IGBT模块：在新能源汽车、轨道交通的逆变器中，将金刚石热扩散片置于IGBT芯片和铜基板之间。

- CPU/GPU封装：在封装内部，将小块金刚石薄膜置于芯片热点区域上方，进行靶向冷却。

作为复合材料的填充物

这是一种兼顾性能和成本的方案。

- 工艺：将高导热的人造金刚石微粉或纤维作为填充相，与金属或聚合物混合，制成复合材料。

- 材料类型：

- 金刚石/金属复合材料：如金刚石/铜（Diamond/Cu）、金刚石/铝（Diamond/Al）。通过粉末冶金或熔渗法制备，既保持了金刚石的高导热，又利用了金属的易加工性。

- 导热胶/导热膏：将金刚石微粉掺入环氧树脂或硅油中，制成高导热的界面材料（TIM），用于填充芯片和散热器之间的微小空隙，减少接触热阻。

- 应用场景：芯片封装的热界面材料、热管理壳体。

金刚石热沉欢迎咨询长春博盛智芯科技，0431-85916189