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金刚石散热片的生成方法及在微波射频领域的应用解析
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2017-11-18
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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ˡ³C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。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。
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ˡ³C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。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。
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