金刚石散热片的生成方法及在微波射频领域的应用

50 多年来，采用高压高温技术(HPHT) 制造的合成金刚石广泛应用于研磨应用，充分发挥了金刚石极高硬度和极强耐磨性的特性。在过去20年中，基于化学气相沉积(CVD) 的新金刚石生成方法已投入商业化应用，这样就使得以较低成本生成单晶和多晶金刚石。这些新合成方法支持全面开发利用金刚石的光学、热学、电化、化学以及电子属性。

目前金刚石已广泛应用于光学和半导体行业。本文主要讨论金刚石的热学优势，介绍金刚石散热片的工作原理，简要展示金刚石生成方法，总结金刚石的一些常见应用（包括应用方法）并以金刚石未来应用前景作为结论。首先我们来简单介绍金刚石成为室温下所有固体材料中最佳导热体的原因及原理。

金刚石导热原理

金刚石是立方晶体，由碳原子通过共价键结合形成。金刚石的许多极致属性都是形成刚性结构的sp³ 共价键强度和少量碳原子作用下的直接结果。

金属通过自由电子传导热量，其高热传导性与高导电性相关联，相比之下，金刚石中的热量传导仅由晶格振动（即声子）完成。金刚石原子之间极强的共价键使刚性晶格具有高振动频率，因此其德拜特征温度高达2,220°K。由于大部分应用远低于德拜温度，声子散射较小，因此以声子为媒介的热传导阻力极小。但任何晶格缺陷都会产生声子散射，从而降低热传导性，这是所有晶体材料的固有特征。金刚石中的缺陷通常包括较重的?³C同位素、氮杂质和空缺等点缺陷，堆垛层错和位错等扩展缺陷以及晶界等2D缺陷。

图1. 独立式CVD 金刚石晶片

作为专门进行热管理的元件，天然金刚石应用在一些早期微波和激光二极管器件中[1]、[2]。但适用天然金刚石板的可用性、尺寸及成本限制了金刚石的市场应用。随着热学属性与IIa型天然金刚石（图1）相类似的微波辅助型CVD 多晶金刚石的出现，可用性问题得到了解决。目前，许多供应商提供一系列现成的热学等级的金刚石。由于独立式多晶金刚石采用直径达140 mm 的大型晶片（图1）生成，因此尺寸不再局限为单个器件或小型阵列，阵列尺寸可扩展至几厘米。基于以上原因，CVD 金刚石的实用性得到验证，自20世纪90年代以来已被广泛应用于各种器件之中。

图2. 通过IIa 型天然金刚石激光闪光法所测的层面间热导率与温度对比[3]

如图2 所示，TM200（TM 表示热，200 表示热导率>2,000 Wm¯?K¯?）室温下热导率为2,200 Wm¯?K¯?，超过铜热导率5 倍（参见表1）。元素六提供一系列产品，因此可根据技术要求和预算订制热传导能力及成本。由于室温下热导率>1,000 Wm¯? K¯?，TM100超过氮化铝等陶瓷材料4到6 倍。

高级产品在低于室温条件下的热性能更具优势，温度低至100°K时热导率显著提高。图2中TM180 和TM200 等级显示的性能与温度变化趋势与IIa 型天然金刚石类似。

我们采用表征技术对不同等级的微观结构进行了详细分析。在研究范围内，TM100的传导能力对温度敏感度较低。CVD 金刚石中的晶粒尺寸随着厚度的增加而增加，对传导能力有明显的影响。对于同等晶粒大小的CVD 金刚石，TM100 和TM180 中的点缺陷密度相似，但TM100 中的错位密度比TM180 高三个数量级。此差异在声子散射中起主要作用，同时对传导能力存在显著影响。TM180 和TM200 中测得的错位密度相似，但较低温度下传导能力的微小差异可由晶粒大小以及TM200 中点缺陷密度比TM180 低5 倍进行解释。本文以下段落将探讨其它生成技术，各生成技术的晶粒大小、纯度以及错位差异显著，因此热性能也存在较大差异。

表1. 绿色= 显著优势，黄色= 中等优势，红色= 负面影响

半导体市场中电源转换器或固态射频功率放大器等领域的功率密度不断提升，使局部热管理负担越来越重。CVD金刚石同时具有高热传导性及电气绝缘等极致属性，是解决上述问题的理想选择。我们的测量结果表明，微波辅助型CVD 金刚石层面内与层面间传导能力之比低于10%，与测量不确定度相差无几。各向同性热属性和电气绝缘是许多热学应用中散热片的重要属性。这与高取向性热解石墨等材料形成鲜明对比，后者具有导电性并且热传导性为各向异性，如表2所示。

表2. 不同CVD 技术合成的多晶金刚石热属性比较。

金刚石生成方法

合成金刚石采用一系列不同技术制造。合成金刚石粒度、大型单晶和烧结多晶金刚石产品均采用高压高温压制技术合成。最高纯度单晶金刚石产品采用微波辅助型CVD制成，但多晶CVD金刚石可采用不同技术制造，如表2所示，采用不同技术制造的金刚石属性存在差异。一般来说，金刚石CVD 可分为三类：微波辅助型CVD、热灯丝CVD和直流电弧或