在设计热管理系统时，重要的是必需同时考虑材料和涂敷方法，以最大限度地降低沟道温度，并实现器件的长期运行。迄今，SiC（400 W/mK）衬底与 GaN 的集成为面向高功率应用的 GaN HEMT 和 MMIC 技术提供了最佳选择。然而，尽管使用了 SiC 衬底，但是在基于 GaN 的电子器件中，充分的散热仍然是决定最大功率耗散的限制因素。因此，长期可靠性常常是通过对最大功率耗散指标进行降额处理来实现的。采用 CVD 金刚石（2000 W/mK）作为散热片是一种好得多的散热解决方案，与目前顶尖的 GaN 器件相比，其功率密度有可能提高 3 倍或更多。（图1比较了各种不同衬底材料的性能。）

虽然基于 GaN 的电子器件能够提供超高的电流和功率密度性能，但是，许多高端电子系统的故障都可以直接归因于缺乏适当的热管理。

半导体器件的功率密度不断增加。对于高功率 RF 和光电子器件而言，采用 CVD 金刚石热沉片后，器件能在较高的功率级运行，并不会推高工作结温，从而可以延长使用寿命并改善可靠性。

图 1：CVD 金刚石与“传统”散热材料的比较

RF 电流在金属表面流动，对于典型金属（Cu或Au），在高于 1.5GHz 的频率下，已经非常薄的集肤深度将继续随着RF频率的增加而减小。集肤深度的减少导致表面电阻增大，因而增加了传导损失。当频率高于 1.5GHz 时，相比于 Cu和Au，BDD在相同的RF频率下，集肤深度几乎高出 2个数量级（图3）。BDD较高的传导横截面不仅通过改善接地平面隔离提升了RF性能，还降低了较高频率下的传导损失。使用具有金属导电率的厚BDD替代标准的金属/金刚石配置，可以通过增加集肤深度，在低于 1.5 GHz 的频率下实现更好的接地平面隔离。这种金属般的散热片减少了慢波模式，以及低于 1.5 GHz 频率下金属化电介质中出现的接地平面之间的电容性耦合。应该注意的是，在降低 BDD 衬底的电阻方面，Au金属化（gold metallization）可能仍然是有益处的。

图 2：从CVD金刚石散热片显示的结点至外壳温度曲线。可以发现：在厚度为 0.300 mm，热导率为 1000W/mK 的情况下，CVD 金刚石散热片解决方案的热阻低了 30%（最初的解决方案使用的是 1.00mm 厚的BeO散热片）。金刚石散热片的热阻较低，因此使得该器件在运行时具有更好的RF线性性能，而且，由于其结温降低而使可靠性得以改善。

就工作频率低于1.5 GHz的电子应用而言，由于金属化接地平面在该频率范围内的电容性耦合之故，标准的金属化金刚石散热片（1000～2000W/mK）有可能在地之间引起令人讨厌的耦合。在该区域中，通过使金刚石导电而牺牲它的一些超高导热性，在功能上是有益的。

虽然5G网络系统的频率范围尚未决定，但是5G网络系统的标准化已在有序进行之中。

尽管网络通信（每个基站之间的）系统将采用28～30GHz的频率范围，以实现高的数据交换速率，但是，预计6～8GHz和/或最高10GHz 的频率将被用于个人手机连接。在放大器领域，就28～30GHz频率范围内的高功率/高频操作而言，基于GaN的HEMT似乎是唯一适用的解决方案。

目前，对于6～8GHz频率范围内的5G移动通信，大多数主要的网络系统制造商（爱立信、诺基亚、华为等）均专注于相控阵列（128通道）通信的方法。随着频率的不断提高，有必要缩减组件尺寸，因而导致对于更有效热管理的需求日益攀升。CVD金刚石具有得天独厚的优势，不仅能为放大器提供解决方案，而且还可以用作阻性组件，适用于隔离器、限幅器和移相器等器件。

毫米波市场需要能在高输出功率级提供千兆赫（GHz）性能的解决方案。由于5G 的工作频段被指定在6GHz以上，并采用工作在X和Ku波段的高性能相控阵雷达，因此对于能够在较高频率下处理高功率密度的无源组件产生了显著的推动。到目前为止，氧化铍（BeO）和氮化铝（AlN）一直是高功率 RF 电阻器的首选衬底。这些陶瓷材料具有相对较高的热导率，并使电阻器能在工作于L波段和S 波段（1～4GHz）时处理数十到数百瓦的功率。

然而，当工作在X波段到Ku波段的范围内时（8～30GHz），在耗散功率最大化与抑制电阻寄生效应之间进行的平衡，会导致使用 BeO 或 AlN 衬底时消耗几瓦功率的能力减弱。在较高频率条件下进行功率管理中所存在的这种局限性，将成为把高功率应用扩展到高于 S 波段的瓶颈。这里提出的是一种用于 RF 电阻器的促成解决方案，它能够在高于 8 GHz 的频率下工作，同时通过采用 CVD 金刚石作为电阻器衬底，可以处理超过100W的功率。

针对RF电阻器中使用的不同高热导率衬底，影响性能的主要参数的取值汇总于图4。显然，具有最高电容率和最低热导率的AlN的工作性能将不及BeO，而作为高频阻性衬底，完美结合了低电容率和最高热导率的金刚石将是表现超群的。金刚石的电容率分别比BeO和AlN低大约15%～35%，并能在频率和温度变化的情况下保持稳定，从低频到高达几十GHz，其变化幅度仅为 5%；而从室温到几百摄氏度，它的温度漂移只有 730 ppm/°C。当考虑热导率时，温度也是很重要的。在125°C时，AlN和BeO的热导率值与其在室温条件下的性能指标相比，下降了30%～40%。

最纯单晶金刚石的热导率有可能超过AlN和BeO达10～15倍左右，这大致意味着采用金刚石衬底的电阻器应能处理高10～15倍的功率。当考虑使用多晶金刚石作为具有1000W/mK至1800W/mK热导率的阻性衬底时，可以实现 4～8 倍的性能提升（相比于AlN和BeO）。

图 3：导体在不断升高的工作频率下的集肤深度。不同频率下的掺硼金刚石散热片。

金刚石散热片技术的成本应该从两个主要角度来审视，这个题目本身就值得用一篇延伸的文章进行探讨。首先，如果标准散热器在对RF、微波和ASIC中的高功率密度器件进行冷却时停止工作，就应当考虑成本了。其次，也许更重要的是，性能改善的成本可以且应该实施多方位的优化。在控制热阻和成本方面，器件与散热片面积、散热片厚度和 CVD 金刚石散热片热导率之比全都起着主要的作用。因此，为了优化金刚石散热片的优势，当务之急是遵循正确的性能/成本模型。

图 4：阻性衬底属性（电容率、损耗因数、热导率和热膨胀）

要在电子系统内部显著地改善热管理，可以通过使用 CVD 金刚石散热片来实现。这种方法相对简单，因为 CVD 金刚石可以直接替代 AlN（氮化铝）、BeO（氧化铍）或其他先进陶瓷。注意界面上的细节是很重要的，旨在保持低的总热阻，从而优化金刚石的有效性。

凭借改进的合成技术、先进的加工工艺和持续降低成本的努力，CVD 金刚石已经成为了一个至关重要的促成者，它可以用作适合高功率密度 RF 应用的散热器。预计该趋势将在未来几年继续下去，这与尺寸更小和功能更强大电子设备和系统的需求量不断增长是一致的，包括国防及 5G 无线应用日渐攀升的需求。