随着 5G 通信、量子计算等领域对光芯片功率密度要求突破 500 W/cm²，传统氮化铝（AlN）、铜基热沉已逼近性能极限。数据显示，光芯片结温每升高 10℃，可靠性下降 50%，调制带宽衰减 15%。金刚石作为自然界热导率最高的材料，其室温热导率可达 2200 W/(m・K)，是铜的 5 倍、AlN 的 10 倍以上，且热膨胀系数（1.1 ppm/K）与 Ⅲ-Ⅴ 族半导体（InP/GaAs）匹配性优异，能有效抑制热应力导致的界面剥离。此外，金刚石兼具宽光学透过窗口（225 nm - 远红外）与化学惰性，可在光芯片有源区直接集成，避免光学损耗与环境腐蚀问题。
界面匹配与封装集成技术
热阻优化方案：
金属化层设计：采用 Ti（粘附层）/Pt（扩散阻挡层）/Au（键合层）复合结构，界面热阻降至 5×10⁻⁵ m²・K/W 以下；
缓冲层技术：在金刚石与芯片间引入纳米金刚石 - 钛合金梯度层，结合强度提升至 200MPa，解决晶格失配问题。
精密加工工艺：
激光微纳加工：采用飞秒激光隐切技术，实现复杂异形结构加工，效率达传统工艺 15 倍，边缘崩裂控制在 2μm 内；
抛光优化：结合化学机械抛光（CMP）与牺牲层技术，表面粗糙度 Ra≤0.05μm，厚度公差 ±1.5μm，满足芯片级封装要求。
复合热沉架构设计
针对成本敏感场景，采用 “金刚石微片 + 混合基板” 架构：核心发热区集成 150-500μm 厚金刚石层，外围采用 AlN 或铜基材料，成本较全金刚石热沉降低 40%，同时保持热导率≥1400 W/(m・K)。该设计已在汽车 LED 大灯光芯片中验证，结温降低 40℃，光衰率下降 60%。
高功率激光二极管
将金刚石热沉与 InP 激光芯片通过 Au-Sn 低温键合（280℃）集成，输出功率从 5W 提升至 18W，寿命突破 10⁴小时，满足 100Gbps 光模块需求。关键技术在于热沉与芯片有源区的精准对准（偏差≤5μm），实现热量垂直传导。
利用金刚石色心的量子态特性，在热沉基底上集成单光子源与波导结构：通过离子注入技术制备 NV⁻色心，热沉实时散热使量子态相干时间延长至 2ms，为量子密钥分发（QKD）芯片提供稳定工作环境。该方案已应用于量子通信终端，密钥生成速率提升 3 倍。
针对 3D 封装光芯片的热点问题，采用嵌入式金刚石散热层，通过微通道与热沉耦合设计，将热点温差从 30℃缩减至 8℃，算力输出波动率降低 70%。其核心是金刚石与硅通孔（TSV）的兼容加工，实现片上全域均匀散热。
金刚石热沉凭借极致热学性能与集成兼容性，已成为光芯片功率密度突破的核心支撑技术。随着 CVD 制备成本的持续下降（预计 2026 年单晶金刚石热沉成本降低 30%）与加工工艺的成熟，其应用将从高端光模块向车载光芯片、量子传感器等领域全面拓展，推动光电子器件向更高功率、更高可靠性、更小尺寸演进。
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、氮掺杂)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。
