Diamond 实现大功率电子产品的热管理

Diafilm TM220 是一种化学气相沉积 （CVD） 金刚石热等级，可为工业用户提供超过 2200 W/mK 的热导率。元素六 （E6）于 2019 年推出了这一新解决方案，在接受电力电子新闻采访时，E6 首席技术专家 Daniel Twitchen 博士强调，在过去两年中，金刚石越来越成为许多有趣应用的关键推动因素，特别是在高功率密度射频 （RF） 设备和专用集成电路 （ASIC） 以及高频电阻电源管理组件的热管理方面。这种材料的市场推出响应了不断增长的电力需求，这推动了半导体热管理的界限。

元素六的 Diafilm 等级范围从 700 到 2200 W/mK，可应用于基于射频的氮化镓 （GaN）和单片微波集成电路 （MMIC），用于相控阵雷达、空间和卫星 5G 基站等。此外，用于城域和长途内容交付的太比特速度光电网络的成功依赖于高效的热管理。

钻石

钻石的特点是其卓越的硬度、强度、光学和热性能。天然钻石固有的稀缺性和结构不可预测性限制了其在工程中的应用。合成技术的发展使生产具有可预测特性和一致性能的工程合成钻石成为可能；首先，在 50 年代使用高压和高温，然后在 80 年代后期使用化学气相沉积 （CVD） 生产晶片级金刚石。现代工业世界消耗大约 800 吨合成钻石，大约是作为宝石提取的天然钻石数量的 150 倍。

图 1：钻石的化学结构

天然钻石首先根据其光学特性进行分类。最常见的类型具有约 330 nm 的吸收边，少数具有约 220 nm 的值。多年来，这种天然分级方案得到了扩展，但从最广泛的意义上讲，它仍然与合成钻石相关。

对功率和带宽不断增长的需求正在推动半导体热管理的边界。向更高频率的转变为 CVD 金刚石创造了机会，使其成为实现更高效热管理的理想解决方案。

通过 CVD 工艺生长金刚石涉及通过将不同数量的各种气体（碳和氢）送入生长室，然后加热这些气体来制备基材，通常使用微波能量或热丝加热至高于 2000 °C 的温度。 它的制备包括选择合适的材料、其晶体取向、用金刚石粉末对其进行清洁以及通过一系列测试将生长过程中的基板温度优化至 800 °C 左右。

在生长过程中，腔体中的材料被等离子体蚀刻，并可以结合到生长的金刚石中。特别是，CVD 金刚石经常被来自空腔和二氧化硅基材的硅污染。

CVD 方法的优点包括可以大面积合成金刚石，尤其是在具有不同形状的基材上，可以精确控制化学杂质，从而控制所生产的金刚石的特性，这在工业应用中非常有用，因为金刚石是自然界中已知最硬的材料，也是最好的热导体，因为它对热、辐射和酸具有极强的抵抗力。此外，金刚石是极好的电绝缘体。

Diafilm TM220

传统热管理解决方案的局限性可能会给组件带来严重的瓶颈。这迫使航空航天、电信和国防工业的系统设计人员在外形、性能和可靠性之间做出权衡。

元素六的 TM220 具有热各向同性，可在平面方向有效地传播热量，具有低密度、化学惰性和机械稳定性。

“使用化学气相沉积法生长金刚石意味着，现在可以再生地生长具有针对每种应用定制的特性的晶片级金刚石，而不是生长小块金刚石。过去 15 年的开创性工作使得针对汽车音响系统的金刚石扬声器到智能手机制造的精密加工等多种应用的工艺开发成为可能，为下一代金刚石驱动市场提供了一个很好的平台。随着消费者对数据的需求不断增加，以及采用新的半导体材料推动功率密度的显着增加，需要新颖的散热解决方案。利用比替代解决方案高 10 倍的金刚石热导率，为半导体设计手册带来了新的重要解决方案。

汽车和运输行业中新技术和高功率运行条件的出现意味着必须开发新材料以满足严格的要求。新技术的发展和采用给消费电子公司和支持它们的工具制造商带来了压力。新的 5G 无线技术、增强现实和虚拟现实以及物联网设备依赖于更坚固、更难加工的新材料。

CVD 金刚石解决方案可减少热管理瓶颈并实现更低的工作温度。

图 2：Diafilm TM220

Twitchen 指出，金刚石可以分散大量热量，将热量散布到更大的体积上，从而降低结温。与其他解决方案相比，Diamond 有可能将结温降低 30% 以上。

热控制是几乎所有半导体结的基本动作。与此同时，我们都想要一个更小、更长的电池。通常，如果设备变热，您将失去效率和电池寿命。“因此，如果您能让设备保持凉爽，您将获得更高的效率和更好的性能。这在尺寸、重量和功率压力非常重要 （SWaP） 的应用中可能尤其重要，例如在卫星中。其他热管理解决方案（例如氮化铝）的热导率约为 200 W/mK。价值比其高 10 倍的钻石解决方案现在已成为商业现实，这意味着具有彻底改变许多工业市场的巨大潜力。”Twitchen 说。

与 Diafilm 的其他 TM 材料等级一样，TM220 是热各向同性的。它在平面方向上与通过材料一样有效地扩散热量。Diafilm TM220 的其他特性包括介电常数、光学透明度、电绝缘性、低密度和化学惰性。

Twitchen 强调了元素六如何从射频器件封装、X 射线生成和高性能 ASIC 行业获得积极反馈，这些行业都是 TM220 等级的早期采用者。“Diafilm TM220 材料有标准厚度可供选择，可以根据不同客户的要求进行制造，”Twitchen 说。　　

      审核编辑：彭静