金剛石散熱片的生成方法及在微波射頻領域的應用解析

50多年來，采用高壓高溫技術（HPHT） 制造的合成金剛石廣泛應用于研磨應用，充分發揮了金剛石極高硬度和極強耐磨性的特性。在過去20年中，基于化學氣相沉積（CVD） 的新金剛石生成方法已投入商業化應用，這樣就使得以較低成本生成單晶和多晶金剛石。這些新合成方法支持全面開發利用金剛石的光學、熱學、電化、化學以及電子屬性。
　　目前金剛石已廣泛應用于光學和半導體行業。本文主要討論金剛石的熱學優勢，介紹金剛石散熱片的工作原理，簡要展示金剛石生成方法， 總結金剛石的一些常見應用（包括應用方法）并以金剛石未來應用前景作為結論。首先我們來簡單介紹金剛石成為室溫下所有固體材料中最佳導熱體的原因及原理。
　　金剛石導熱原理
　　金剛石是立方晶體，由碳原子通過共價鍵結合形成。金剛石的許多極致屬性都是形成剛性結構的sp3 共價鍵強度和少量碳原子作用下的直接結果。
　　金 屬通過自由電子傳導熱量，其高熱傳導性與高導電性相關聯，相比之下，金剛石中的熱量傳導僅由晶格振動（即聲子）完成。金剛石原子之間極強的共價鍵使剛性晶 格具有高振動頻率，因此其德拜特征溫度高達2，220°K。由于大部分應用遠低于德拜溫度，聲子散射較小，因此以聲子為媒介的熱傳導阻力極小。但任何晶格 缺陷都會產生聲子散射，從而降低熱傳導性，這是所有晶體材料的固有特征。金剛石中的缺陷通常包括較重的?3C同位素、氮雜質和空缺等點缺陷，堆垛層錯和位 錯等擴展缺陷以及晶界等2D缺陷。
　　
　　圖1. 獨立式CVD 金剛石晶片
　　作為專門進行熱管理的元件，天然金剛石應用在一些早期微波和激光二極管器件中。但適用天然金剛石板的可用性、尺寸及成本限制了金剛石的市場應 用。隨著熱學屬性與IIa型天然金剛石（圖1）相類似的微波輔助型CVD 多晶金剛石的出現，可用性問題得到了解決。目前，許多供應商提供一系列現成的熱學等級的金剛石。由于獨立式多晶金剛石采用直徑達140 mm 的大型晶片（圖1）生成，因此尺寸不再局限為單個器件或小型陣列，陣列尺寸可擴展至幾厘米?；谝陨显?，CVD 金剛石的實用性得到驗證，自20世紀90年代以來已被廣泛應用于各種器件之中。