在现代半导体技术以摩尔定律为指引不断突破极限的同时，一个日益严峻的挑战如影随形——热管理瓶颈。随着芯片集成度飙升至百亿级晶体管，单位面积功耗密度急剧攀升，传统封装散热方案已显得力不从心。就在这场与热量的赛跑中，一种被誉为“终极散热材料”的金刚石热沉片正从实验室走向产业前沿，为高端半导体封装带来革命性的解决方案。它不仅关乎性能释放，更将重塑高功率密度电子设备的可靠性与未来形态。
当前，以5G基站射频器件、激光二极管、高性能计算芯片及功率模块为代表的高端半导体器件，其工作时的结温直接决定了性能、效率与寿命。一颗氮化镓功率放大器在满载运行时，芯片有源区温度可能瞬间超过200°C，而传统基于铜、铝或氧化铝的散热基板，其热导率（铜约400 W/mK，氧化铝约30 W/mK）和热膨胀系数匹配问题，已成为散热的“天花板”。热量若无法及时导出，将导致载流子迁移率下降、阈值电压漂移、效率暴跌，最终引发热失效。因此，封装内部的一级散热路径——即直接将热量从芯片结区快速传递至封装外壳或热沉——成为整个热管理链条中最关键、也最富挑战性的一环。
金刚石在自然界中拥有已知最高的热导率，单晶金刚石在室温下的理论值可达2200 W/mK，是铜的5倍以上。此外，金刚石还具有优异的电绝缘性、低热膨胀系数（与半导体材料如硅、GaAs更匹配），以及极高的硬度和化学稳定性。
1. 高功率射频与微波器件封装
在5G/6G通信基站、相控阵雷达中，氮化镓高电子迁移率晶体管需要在毫米波频段输出数十甚至数百瓦的功率。金刚石热沉片在此类器件的封装中扮演核心角色。通过将GaN芯片直接倒装焊或共晶焊到金刚石热沉片上（即“金刚石上芯片”或“芯片上金刚石”结构），能够将芯片有源区产生的热量迅速横向扩散并向下导出。实践表明，采用金刚石热沉后，GaN器件的结温可降低40-60°C，在同等温升下输出功率可提升30%以上，同时大幅提高线性度和可靠性，为新一代通信基础设施提供了关键支撑。
2. 激光二极管封装
高亮度激光二极管广泛应用于工业加工、医疗美容和激光雷达。其发光效率受温度影响极大，热效应会导致波长漂移、输出功率下降和寿命缩短。将激光二极管的发光区紧密贴装在金刚石热沉片上，利用其超高的面内热导率迅速将“热点”的热量均匀化并导出，有效抑制了“热透镜效应”和“猫须”等热相关问题，显著提升了激光器的亮度、稳定性和使用寿命。
3. 先进计算芯片与功率模块集成
在CPU、GPU等高性能计算芯片，以及电动汽车、轨道交通使用的IGBT/SiC功率模块中，局部热点问题尤为突出。金刚石热沉片可作为芯片下方的热扩散层或直接作为绝缘金属基板的替代品（如金刚石铜复合材料基板）。在芯片与封装基板之间插入一片薄型金刚石片，能极大改善热量从芯片到散热器的传输路径，降低热阻。对于三维堆叠芯片等更高集成度的架构，层间的金刚石热沉层不仅能高效导热，还能起到一定的机械支撑和电隔离作用，是解决“存算一体”等先进架构散热难题的潜在钥匙。
金刚石热沉片凭借其无与伦比的导热能力，正在高端半导体封装领域开辟一条高效散热的“超高速通道”。它不仅是对现有热管理技术的重大升级，更是推动下一代高功率、高频率、高集成度电子设备迈向新高度的关键使能技术。
作为金刚石半导体产业龙头厂商，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)和金刚石铜复合材料等，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。
