随着电子器件逐渐向集成化、小型化发展，芯片内晶体管的集成度不断上升，热流密度急剧增加。为提高电子器件的性能，充分发挥第三代半导体材料在微电子领域的潜力，高效的散热是关键：热点与周围区域热流密度差异巨大，需要更高导热的材料实现均温；器件整体发热巨大，需要更高效的散热方式带走热量。相比传统金属散热材料，金刚石热沉片的热导率提升了数倍，能够显著提升散热效率。因此，基于金刚石热沉片的高效散热方法，成为超高热流散热研究的热点。
利用金刚石基材料直接制备的微通道热沉，在材料成本和加工难度方面都远高于金属微通道热沉。基于此，以金刚石薄膜为热扩散层，并将其与金属散热材料制备的微通道相耦合这一技术路线，该方法不仅能够有效降低散热器件整体成本与加工难度，而且由于金刚石热扩散层的存在，局部高热流能够迅速扩散，降低器件峰值工作温度，同时增大散热系统的有效换热面积。
采用有限元仿真分析设计了如图所示的金刚石热扩散层复合微通道液冷热沉结构，发现高导热性能的金刚石能够有效降低热源结温并提高热源表面的温度均匀性。为探究金刚石热扩散层厚度的临界值，以金刚石为GaN 器件的散热衬底（如图14b 所示），发现当金刚石热扩散层厚度＜1 μm 时，金刚石热扩散层热导率出现各向异性，将会引起热源温度上升19℃。为获得较高的热源温度均匀性，进一步将金刚石热扩散层与歧管微通道液冷相结合，发现金刚石热扩散层能够大幅降低热沉的扩散热阻、整体热阻与器件的工作温度，且随着金刚石层厚度的增加，热阻降低效果愈发明显。
随着金刚石金属化镀层等异种材料高导热耦合工艺的发展，构建金刚石热扩散层与金属微通道相结合的散热器件实物。如图所示，芯片最高工作温度与纯铜微通道的相比下降了11.5%～22.9%。在此基础上引入微射流阵列，如图所示，热点热流冷却能力达到10 kW/cm2级。针对GaN 器件的高效散热问题，]设计SiC 微通道与金刚石热扩散层的复合结构，有效冷却了小面积GaN 功率器件4～5 kW/cm2 级热流，在GaN 芯片中引入厚度为150 μm 的金刚石衬底，并结合微通道液冷，有效提高了电路的性能和可靠性。
金刚石热扩散层的存在极大提高了金属微通道应对高热流的散热能力，新型散热方法能够对10 kW/cm2 级的局部热点实现高效冷却，是解决高功率GaN 器件、芯片等超高热流元件热点散热难题的有效方法。随着金刚石生长技术与异种材料高导热耦合技术的进步，该散热方法将在大功率电子器件中具有广阔的应用前景。
化合积电是一家专注于宽禁带半导体材料研发、生产和销售的国家高新技术企业，核心产品有多晶金刚石(晶圆级金刚石、金刚石热沉片、金刚石窗口片、金刚石基复合衬底)、单晶金刚石(热学级、光学级、电子级、硼掺杂)和金刚石复合材料等，引领金刚石及新一代材料革新，赋能高端工业化应用，公司产品广泛应用于激光器、GPU/CPU、医疗器械、5G基站、大功率LED、新能源汽车、新能源光伏、航空航天和国防军工等领域。
