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满足更高散热需求,金刚石热沉片应用有无限可能!

发表时间:2022-06-29 14:44作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com

以前的金属(铝、铜)散热件由于存在密度大、热膨胀系数较高、材料不纯等问题,很难满足散热的需要。随着科学技术的快速发展,航空航天、卫星通讯、高功率激光器等领域对于散热问题越来越重视,对热管理材料提出了更高的要求。金刚石材料因具有低密度、高强度、高导热系数、耐化学腐蚀等特点,有望取代以前的金属材料成为新一代的高导热材料。


金刚石是散热材料的一员大将,因为所有的价电子均被限制在共价键区域,没有自由电子,所以金刚石不导电。电子不能自由运动,因此其热导性能基本上来自碳原子振动(也就是声子)的传播。得益于碳元素较小的质量,以及较强的碳-碳键,金刚石中振动的传播非常“顺畅”,振动频率很高,最大值为40×1012Hz。正因如此,金刚石的热导率十分优异,金刚石热沉片热导率达1000-2000W/m.k,大约是铜的五倍左右,同时,金刚石还是良好的绝缘体, 因此成为理想的基板散热材料。


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随着金刚石制备技术的不断发展,以微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法制备的金刚石膜,具有质量高、成本低等优点,在散热领域具有广泛的应用。


5G基站:目前一个5G室外基站单租户平均功耗在3.8KW左右,是4G基站的3倍以上,电费成本一项或许将透支运营商的所有利润。5G市场放量在即,金刚石作为5G基站热管理材料,通过充分发挥金刚石优秀的散热性能,将大大节约用电,真正实现绿色、环保、低碳。


卫星通讯:新一代导航卫星、载人飞船的高能电源组件热流密度极高,几乎可达到甚至超过500W/cm2,同时由于空间环境影响,热控元件要求小而轻,这使得传统的换热方式难以平衡体积小、散热快两项关键要求。为解决航天领域超高热流密度元件的散热问题,专家研制金刚石膜扩热片作为卫星相控阵组件的核心热管理元件进入太空,目前在轨运行稳定,表现良好。在北斗三号系统中前后共有3颗导航卫星装载此热控元件上天。


大功率LED:超高功率LED光源的应用需求逐年增长,高导热的金刚石材料对提高LED的功率密度起到了极为关键的作用。金刚石衬底与目前最先进的碳化硅衬底GaN器件相比,拥有更高的面功率密度,温度可降低40%~45%。采用金刚石散热结构的LED光源,不仅使得LED光源的功率、可靠性和寿命有了量级级别的提高,而且与传统大功率LED光源相比具有更小的体积和质量,整个光源的生命周期和制造成本也有明显的降低。


高功率半导体激光器:工作时由于单颗芯片出光功率大,单位面积产生的热量大,如果不做好散热技术,很容易发生芯片死亡,性能快速下降。金刚石作为高功率半导体激光器封装热沉,表现出优异的散热特性:一方面将集中于器件PN结的热量能够均匀迅速的沿热沉表面扩散;另一方面将热量沿热沉垂直方向迅速导出。因此可以应用金刚石膜制作高功率光电子元件的散热器材料。


散热性能往往是制约器件性能发挥的关键。化合积电具备MPCVD设备设计能力,国内首家掌握MPCVD制备高质量金刚石的核心工艺并实现量产,并且独创基于等离子体辅助抛光的金刚石原子级表面高效精密加工方法,晶圆级金刚石Ra<1nm,金刚石热沉片热导率1000-2000W/m.k,更有GaN on diamond 、Diamond on GaN、金刚石基氮化铝等产品,为您提供最全金刚石热管理解决方案。


目前,采用金刚石热沉的大功率半导体激光器已经用于光通信,在激光二极管、功率晶体管、电子封装材料等领域也都有应用。金刚石将成为下一代高功率、高频、高温、低损耗电子元件的关键材料,在一些高功率,高电压的恶劣环境下有巨大的应用前景。


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