50多年来，选用高压高温技能(HPHT) 制作的组成金刚石广泛运用于研磨运用，充分发挥了金刚石极高硬度和极强耐磨性的特性。在曩昔20年中，根据化学气相堆积(CVD) 的新金刚石生成办法已投入商业化运用，这样就使得以较低本钱生成单晶和多晶金刚石。这些新组成办法支撑全面开发利用金刚石的光学、热学、电化、化学以及电子特点。
现在金刚石已广泛运用于光学和半导体职业。本文首要评论金刚石的热学优势，介绍金刚石散热片的作业原理，扼要展现金刚石生成办法， 总结金刚石的一些常见运用（包含运用办法）并以金刚石未来运用远景作为定论。首要咱们来简略介绍金刚石成为室温下一切固体资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，由碳原子经过共价键结合构成。金刚石的许多极致特点都是构成刚性结构的sp³ 共价键强度和少数碳原子效果下的直接成果。
金 属经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荡（即声子）完结。金刚石原子之间极强的共价键使刚性晶 格具有高振荡频率，因而其德拜特征温度高达2,220°K。因为大部分运用远低于德拜温度，声子散射较小，因而以声子为前言的热传导阻力极小。但任何晶格 缺点都会发生声子散射，然后下降热传导性，这是一切晶体资料的固有特征。金刚石中的缺点一般包含较重的ˡ³C同位素、氮杂质和空缺等点缺点，堆垛层错和位 错等扩展缺点以及晶界等2D缺点。
图1. 独立式CVD 金刚石晶片
作为专门进行热办理的元件，天然金刚石运用在一些前期微波和激光二极管器材中。但适用天然金刚石板的可用性、尺度及本钱约束了金刚石的商场应 用。跟着热学特点与IIa型天然金刚石（图1）相类似的微波辅佐型CVD 多晶金刚石的呈现，可用性问题得到了处理。现在，许多供货商供给一系列现成的热学等级的金刚石。因为独立式多晶金刚石选用直径达140 mm 的大型晶片（图1）生成，因而尺度不再局限为单个器材或小型阵列，阵列尺度可扩展至几厘米。根据以上原因，CVD 金刚石的实用性得到验证，自20世纪90年代以来已被广泛运用于各种器材之中。
图2. 经过IIa 型天然金刚石激光亮光法所测的层面间热导率与温度比照
如图2所示，TM200（TM 标明热，200 标明热导率>2,000 Wm¯ˡK¯ˡ）室温下热导率为2,200 Wm¯ˡK¯ˡ，超越铜热导率5 倍（参见表1）。元素六供给一系列产品，因而可根据技能要求和预算订制热传导才能及本钱。因为室温下热导率>1,000 Wm¯ˡ K¯ˡ，TM100超越氮化铝等陶瓷资料4到6倍。
高档产品在低于室温条件下的热功能更具优势，温度低至100°K时热导率显着进步。图2中TM180 和TM200 等级显现的功能与温度改动趋势与IIa 型天然金刚石类似。
我 们选用表征技能对不平等级的微观结构进行了详细分析。在研讨范围内，TM100的传导才能对温度敏感度较低。CVD 金刚石中的晶粒尺度跟着厚度的添加而添加，对传导才能有显着的影响。关于平等晶粒大小的CVD 金刚石，TM100 和TM180 中的点缺点密度类似，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首要效果，一起对传导才能存在显着影响。TM180 和TM200 中测得的错位密度类似，但较低温度下传导才能的细小差异可由晶粒大小以及TM200 中点缺点密度比TM180 低5 倍进行解说。本文以下阶段将讨论其它生成技能，各生成技能的晶粒大小、纯度以及错位差异显着，因而热功能也存在较大差异。
表1. 绿色= 显着优势，黄色= 中等优势，赤色= 负面影响
半导体商场中电源转换器或固态射频功率放大器等范畴的功率密度不断进步，使部分热办理担负越来越重。CVD金刚石一起具有高热传导性及电气绝缘等极致特点， 是处理上述问题的抱负挑选。咱们的丈量成果标明，微波辅佐型CVD 金刚石层面内与层面间传导才能之比低于10%，与丈量不确定度相差无几。各向同性热特点和电气绝缘是许多热学运用中散热片的重要特点。这与高取向性热解石 墨等资料构成鲜明比照，后者具有导电性而且热传导性为各向异性，如表2所示。
表2. 不同CVD 技能组成的多晶金刚石热特点比较。
金刚石生成办法
组成金刚石选用一系列不同技能制作。组成金刚石粒度、大型单晶和烧结多晶金刚石产品均选用高压高温限制技能组成。最高纯度单晶金刚石产品选用微波辅佐型 CVD制成，但多晶CVD金刚石可选用不同技能制作，如表2所示，选用不同技能制作的金刚石特点存在差异。一般来说，金刚石CVD 可分为三类：微波辅佐型CVD、热灯丝CVD和直流电弧或直流炬CVD。
在各种CVD中，相同点是氢气中少数的气相碳组分，气体温度超越 2,000°K 促进H2 分化为反响性极强的H× 基。热灯丝反响器堆积直径一般高达300 mm，但堆积面积、均匀性（如纯度等特点）及产值之间的均衡性非常要害，与全体功能平等重要。相纯度（受sp²含量下降影响）可经过两种办法操控：(1) 下降输入甲烷流量和生成速度（但会添加生成时刻和本钱），(2) 经过进步气体温度进步H2 分化率。微波和直流电弧喷发反响器更简略进步气体温度。选用微波辅佐型CVD可完成最佳杂质含量操控，因为此办法无需阴极或灯丝，然后使微波辅佐型CVD 金刚石纯度、光传输功能和热导率到达最大值。
CVD 金刚石散热运用
在热体系中集成CVD 金刚石时需求考虑的要素
要将热办理元件成功集成到器材中，有必要考虑完好的热传导途径以及电气要求和热机械应力。尽管CVD 金刚石刚度极高而且热膨胀系数较小（约为1 ppm/K），是高功率传输窗口运用的抱负挑选，但因其与Si (2.6 ppm/K)、GaAs (5.7 ppm/K) 和GaN (3.2 – 5.6 ppm/K) 等常用半导体资料存在显着差异，这给热力规划工程师带来较大应战。除非在规划开始时即加以考虑，不然热循环发生的应力会对器材寿数和可靠性发生晦气影响。 操控这些应力的两种办法分别为复合半导体预裂[6] 和金刚石夹层；在金刚石夹层中，上层用于平衡应力。将金刚石集成到器材封装中时，抱负几许结构取决于功率密度、冷却通道方位等许多要素，但模型规划较为简略。
图.3. 金属化CVD 金刚石散热片
CVD 金刚石可经过以下三种方法广泛整合到散热处理方案中：(i) 独立单个金刚石单元经过金属化和焊接进行接合，参见图3（例如选用Ti/Pt/Au 溅射堆积金属和AuSn 共晶焊接）；(ii) 预制晶片支撑多个器材，使器材出产商能够大批量处理晶片（比方金属化和贴装）。此类附加过程完结后，这些晶片可作为单个子组件的基板。(iii) 直接选用金刚石镀膜。
激光二极管阵列
将CVD 金刚石作为激光二极管阵列与微通道冷却铜块之间的接口，器材温度上升从22°C降至16°C，如图4 所示，显着延伸产品寿数。
图4.器材下方装备和未装备CVD 金刚石散热片的铜微通道散热片模型。峰值温度上升从22°C（赤色）降至16 °C（绿色）。
激光二极管阵列（200 μm 间隔下峰值功率密度为100 W/mm2） 简易冷却铜块上CVD 金刚石几许结构的改动，标明需求300 μm 厚3 mm 宽的金刚石，而不是薄金刚石镀膜。应留意试验成果建模比较标明金属化也是热传导途径的重要组成部分。典型金属化为Ti/Pt/Au，总厚度约为1 µm [7]。钛层是附着的要害要素，与金刚石交界处构成碳化层。金层供给低电阻衔接，并作为后续焊接或引线接合的底层。铂层作为屏障，阻挠铜分散构成剩余的金 属间化合物。
射频模块
图5. (a) 在接合到CuW 法兰的BeO 散热片上集成分立式射频器材的射频封装模仿。
另一示例是由分立式射频器材组成的射频封装，这些射频器材衔接到CuW法兰上装置的1 mm厚氧化铍散热片上。氧化铍有毒且热导率仅约为200 Wm¯ˡK¯ˡ。热学模型（图5）标明用300 µm 厚的TM100 CVD 金刚石代替氧化铍可使热阻下降30%。由红外摄像头收集的整个封装温度下降丈量成果显现了整个器材和CuW 法兰温度下降最大值，一起也显现了金刚石层温度下降简直可疏忽。现在该产品已大批量出产，凭借CVD金刚石使相同结温下输出进步40%。
图5. (b) 运用红外摄像头收集的整个封装温度下降丈量成果。
金刚石的运用远景
半导体职业选用CVD 金刚石作为散热片尚处于起步阶段。光电、功率和射频器材对杰出热办理处理方案的需求日益增长，在未来十年内将推进该工程资料的广泛选用。结合这些商场范畴 的增长速度，金刚石选用率的进步将推进很多出资进入组成金刚石制作职业，此类出资将促进规模经济，使金刚石在之前无法参加竞赛的半导体商场中占有一席之 地。
在未来十年中，咱们能够估计半导体制作商将把金刚石作为基板集成于器材中，完成商业化。例如，GaN 与金刚石结合理论上可供给120 Wcm¯²功耗，而相比之下SiC 为40 Wcm¯²。
一起咱们也估计兼有高热传导性与高击穿电压特性的CVD金刚石将作为有源半导体投入运用。开始或许首要运用于高压开关范畴，但跟着技能老练，其他运用也将不断呈现。
