金刚石热沉片：金属微通道散热的创新突破

在电子器件微型化、高密度集成的发展趋势下，芯片晶体管集成度持续攀升，器件工作热流密度呈指数级增长，高热流散热难题成为制约第三代半导体器件性能释放与可靠性提升的核心瓶颈。高功率工况下，芯片局部热点与周边区域存在极大热流梯度，温度分布极不均衡，亟需超高导热材料实现快速均温；同时器件整体发热量大，对散热系统的换热效率、均温能力与承载极限提出了更为严苛的要求。相较于传统铜、铝等金属散热材料，金刚石热沉片具备数倍于传统金属的超高热导率，可显著强化器件导热与均温能力，基于金刚石热沉的新型散热技术现已成为超高热流密度电子器件热管理领域的重点研究方向。

纯金刚石微通道热沉虽具备极致散热性能，但受限于高昂的原材料成本与复杂的微结构加工工艺，产业化落地难度极大，难以实现规模化批量应用。为此，行业创新推出“金刚石热扩散层+金属微通道”复合散热技术路线，兼顾高性能与低成本产业化优势。该方案以工艺成熟、性价比优异的金属微通道作为主体换热结构，在器件热源侧复合金刚石薄膜热扩散层，既有效降低了高热流散热器件的制备难度与生产成本，又可依托金刚石超快面扩散特性，将芯片局部集聚高热流快速均匀铺展，大幅降低器件峰值结温，同时拓宽散热系统有效换热面积，彻底解决传统金属微通道热点集中、均温性差、高热流工况易失效的行业痛点。

通过有限元仿真对金刚石复合微通道液冷热沉结构进行系统性建模分析，结果证实高导热金刚石热扩散层可显著降低GaN器件热源结温，大幅优化芯片表面温度均匀性，有效抑制局部过热引发的器件性能衰减与失效问题。针对金刚石薄膜厚度的临界特性研究表明，金刚石热扩散层厚度直接影响界面导热特性，当薄膜厚度小于1 μm时，材料导热性能呈现显著各向异性，无法充分发挥超高导热优势，反而会导致器件热源温度上升19 ℃，明确了金刚石扩散层的工艺制备下限。将金刚石热扩散层与歧管微通道液冷结构耦合适配后，可有效降低热沉扩散热阻与整体界面热阻，器件温控性能随金刚石层厚度提升持续优化，散热增益效果稳步增强。

伴随金刚石金属化镀层、异种材料高导热键合耦合等核心工艺不断成熟，金刚石-金属复合微通道散热器件已实现实体制备与性能验证。实测数据表明，相较于传统纯铜微通道散热结构，复合金刚石热扩散层的新型散热方案可将芯片最高工作温度降低11.5%～22.9%，温控提升效果十分显著。在此基础上集成微射流阵列强化换热体系后，该结构可稳定实现10 kW/cm²级超高热流热点的高效冷却，适配极端高热流密度工作场景。针对高功率GaN器件专属散热需求，行业研发的SiC微通道与金刚石热扩散层复合结构，可高效适配4～5 kW/cm²级小面积GaN功率器件高热流散热工况；在GaN芯片集成150 μm厚度金刚石衬底并耦合微通道液冷体系后，器件热管理能力大幅升级，电路工作稳定性与整体运行可靠性得到显著提升。

金刚石热扩散层的引入，从根本上突破了传统金属微通道散热的性能上限，补齐了金属材料高热流工况下均温性差、热点集中、热承载能力不足的短板，构建出适配超高热流密度半导体器件的高效散热体系。该新型散热技术可高效解决高功率GaN器件、高端算力芯片等核心电子元件的局部热点过热难题，能够稳定应对10 kW/cm²级极端热流散热需求。未来，随着金刚石薄膜生长工艺、异种材料高导热耦合键合技术持续迭代优化，金刚石复合微通道散热方案将进一步降本增效，在大功率射频器件、高端算力设备、航空航天电子系统等高端领域实现规模化应用，成为下一代高功率电子器件热管理的核心技术方案。

化合积电是一家专注于宽禁带半导体材料研发、生产和销售的国家高新技术企业，核心产品有多晶金刚石(晶圆级金刚石、金刚石热沉片、金刚石窗口片、金刚石基复合衬底)、单晶金刚石(热学级、光学级、电子级、硼掺杂)和金刚石复合材料等，引领金刚石及新一代材料革新，赋能高端工业化应用，公司产品广泛应用于激光器、GPU/CPU、医疗器械、5G基站、大功率LED、新能源汽车、新能源光伏、航空航天和国防军工等领域。