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金刚石热沉片,作为散热材料的散热方法!

时间:2024-01-31浏览次数:86

金刚石热沉片,是由人造金刚石制成的无源元件,可帮助散发许多电子和光子设备中产生的潜在破坏性热量。 这些设备包括卫星通信中使用的高功率射频器件、高功率激光二极管、高功率激光镜和盘形激光器等等。 典型的金刚石热沉片是放置在热源和主动或被动冷却热沉之间的人造金刚石薄片(最多为2 毫米)。不同种类金刚石的散热方法,具体如下:


1、单晶超高导热金刚石材料

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,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。


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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。金刚石紫外LED、LD:可使用在环保与医用杀菌,高密度数据储存等方面。DNA等生物传感器:利用金刚石与生物细胞的亲和性及其生物传感器的高灵敏性,开发各种金刚石生物传感器;同时,也可以制成生物武器探测器等。日盲紫外探测器和超快粒子辐射闪烁体探测器:应用于导弹制导与预警、深空x光通信。


2、多晶金刚石材料

目前,将金刚石作为功率器件的热沉或衬底已经研究出多种技术形式,其中主要有: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等的室温键合已经通过表面活化键合(SAB)技术实现。


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,未来随产量提升+成本下降有望在半导体散热片领域得到大规模应用。目前已实现4英寸电子级多晶金刚石的商业化量产,国际最大制备尺寸可达8英寸,随着MPCVD技术的改善升级有望与现存的8英寸半导体晶圆制造产线兼容,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推广。


3、纳米金刚石材料

纳米金刚石材料用作散热一般是作为高热流密度器件钝化层,可在器件表面进行均热,为器件增加一条导热通路,提升器件表面均温性能。氢等离子体对氮化镓具有反应刻蚀作用,导致器件直接沉积金刚石的方法需要低温条件并且需要耐氢设计。在耐氢保护层表面,金刚石需要均匀高密度形核,同时需要高定向排列,以提升金刚石钝化层整体导热能力。


哈尔滨工业大学与中国电子科技集团有限公司55所合作,研制纳米金刚石钝化GaN器件,在600℃制备晶粒尺寸可控纳米金刚石钝化层,实现高导热金刚石层对器件表面的全覆盖,但仍存在纳米金刚石热导率相比单晶热导率较差,散热效果有限的问题,仍有进一步探索的空间。


化合积电采用MPCVD制备高质量金刚石,并独创金刚石原子级表面高效精密加工方法,将金刚石热沉片表面粗糙度从数十微米级别降低至1nm以下。目前,采用化合积电金刚石热沉的大功率半导体激光器已经用于光通信,在激光二 管、功率晶体管、电子封装材料等领域也有应用。

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