在新能源汽车蓬勃发展的今天，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）功率模块作为新能源汽车电机驱动的核心元件，其性能和可靠性至关重要。而金刚石，这种被誉为 “硬度之王” 的神奇材料，正逐渐在新能源汽车IGBT功率模块散热领域展现出巨大的潜力。
IGBT 在新能源汽车中的核心地位
1、定义与基本结构：
定义：IGBT是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。它兼具MOSFET的高输入阻抗、控制简单、开关速度快等优点，以及BJT的低导通压降、大电流密度等优点，能够实现大电流、高电压的开关控制。
结构：主要由三部分组成。一是金属氧化物半导体氧化层（MOS），这是IGBT的核心部分，可通过控制电路来控制其电流和电压等参数；二是双极型晶体管（BJT），由两个双极型晶体管构成，能够产生高功率；三是绝缘层，起到保护IGBT元件免受外界环境侵蚀和损坏的作用。
2、工作原理
当在IGBT的栅极 - 发射极间加阈值电压以上的正电压时，在栅极电极正下方的P层上会形成反型层（沟道），开始从发射极电极下的N - 层注入电子。电子作为P+N-P晶体管的少数载流子，从集电极衬底P+层开始流入空穴，进行电导率调制（双极工作），降低集电极 - 发射极间饱和电压，使 IGBT 导通。当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N - 区内，IGBT关断。
IGBT 功率模块散热的重要性
IGBT功率模块在工作过程中会产生大量的热量，如果不能及时有效地将这些热量散发出去，将会对其性能和寿命产生严重的影响。具体表现为：
性能下降：过高的温度会导致IGBT的导通电阻增大，开关损耗增加，从而降低其效率和输出功率。同时，高温还会影响IGBT的电气特性，如阈值电压、饱和压降等，使逆变器的控制精度下降。
寿命缩短：长期在高温环境下工作，会加速IGBT功率模块内部材料的老化和损坏，如半导体芯片的热疲劳、封装材料的热膨胀等。这些都会导致IGBT的可靠性降低，寿命缩短。
因此，为了保证IGBT功率模块的正常工作和长期可靠性，必须采取有效的散热措施。
金刚石的独特性能
金刚石作为一种超硬材料，具有许多独特的性能，使其在IGBT功率模块散热中具有很大的优势。
高导热性能：金刚石具有目前所知的天然物质中最高的热导率，可达到2000 W/m・K 左右，是铜和银的 4-5倍。这种高导热性能使得金刚石能够快速地将IGBT功率模块产生的热量传导出去，有效地降低模块的温度。
低热膨胀系数：金刚石具有较低的热膨胀系数，这意味着在温度变化时，金刚石的尺寸变化相对较小。在IGBT功率模块中，金刚石与其他材料（如金属封装材料、半导体芯片等）结合使用时，低热膨胀系数可以减少因温度变化而产生的热应力和机械应力，提高散热系统的稳定性和可靠性。
良好的热稳定性：金刚石具有耐高温、耐腐蚀、抗辐照等优异性能，在高温环境下仍能保持良好的结构和性能稳定性。IGBT功率模块在工作时会产生较高的温度，金刚石的热稳定性能够确保其在高温条件下持续有效地发挥散热作用，不会因为温度的升高而发生性能的退化或结构的损坏。
声子输运优势：在金刚石中，热量主要通过声子（晶格振动）传输。金刚石晶体结构的稳定性和硬度，使得声子在晶格中传播时受到的阻尼很小，因此能够以很高的速度传输热量。与金属材料中通过自由电子传导热量的方式相比，金刚石的声子导热机制在高温和高功率条件下具有更好的稳定性和高效性，能够适应IGBT功率模块在工作时的复杂热环境。
化合积电化合积电拥有MPCVD、PVD、MOCVD等国际一流设备,是国内率先实现MPCVD规模化量产多晶金刚石的厂家,拥有先进的金刚石制备和加工工艺,自主研发的产品达国际领先水平。目前已有成熟产品:金刚石热沉片、金刚石晶圆、金刚石窗口片、金刚石异质集成复合衬底等，其中金刚石热沉片热导率100-220W/(m·k)，晶圆级金刚石表面粗糙度Ra<1nm，目前已应用于航空航天、高功率半导体激光器、光通信、芯片散热、核聚变等领域。
