Diafilm TM220 是一種化學(xué)氣相沉積 （CVD） 金剛石熱等級(jí)，可為工業(yè)用戶提供超過 2200 W/mK 的熱導(dǎo)率。元素六 （E6）于 2019 年推出了這一新解決方案，在接受電力電子新聞采訪時(shí)，E6 首席技術(shù)專家 Daniel Twitchen 博士強(qiáng)調(diào)，在過去兩年中，金剛石越來越成為許多有趣應(yīng)用的關(guān)鍵推動(dòng)因素，特別是在高功率密度射頻 （RF） 設(shè)備和專用集成電路 （ASIC） 以及高頻電阻電源管理組件的熱管理方面。這種材料的市場(chǎng)推出響應(yīng)了不斷增長(zhǎng)的電力需求，這推動(dòng)了半導(dǎo)體熱管理的界限。

元素六的 Diafilm 等級(jí)范圍從 700 到 2200 W/mK，可應(yīng)用于基于射頻的氮化鎵 （GaN）和單片微波集成電路 （MMIC），用于相控陣?yán)走_(dá)、空間和衛(wèi)星 5G 基站等。此外，用于城域和長(zhǎng)途內(nèi)容交付的太比特速度光電網(wǎng)絡(luò)的成功依賴于高效的熱管理。

鉆石

鉆石的特點(diǎn)是其卓越的硬度、強(qiáng)度、光學(xué)和熱性能。天然鉆石固有的稀缺性和結(jié)構(gòu)不可預(yù)測(cè)性限制了其在工程中的應(yīng)用。合成技術(shù)的發(fā)展使生產(chǎn)具有可預(yù)測(cè)特性和一致性能的工程合成鉆石成為可能；首先，在 50 年代使用高壓和高溫，然后在 80 年代后期使用化學(xué)氣相沉積 （CVD） 生產(chǎn)晶片級(jí)金剛石?，F(xiàn)代工業(yè)世界消耗大約 800 噸合成鉆石，大約是作為寶石提取的天然鉆石數(shù)量的 150 倍。

圖 1：鉆石的化學(xué)結(jié)構(gòu)

天然鉆石首先根據(jù)其光學(xué)特性進(jìn)行分類。最常見的類型具有約 330 nm 的吸收邊，少數(shù)具有約 220 nm 的值。多年來，這種天然分級(jí)方案得到了擴(kuò)展，但從最廣泛的意義上講，它仍然與合成鉆石相關(guān)。

對(duì)功率和帶寬不斷增長(zhǎng)的需求正在推動(dòng)半導(dǎo)體熱管理的邊界。向更高頻率的轉(zhuǎn)變?yōu)?CVD 金剛石創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，使其成為實(shí)現(xiàn)更高效熱管理的理想解決方案。

通過 CVD 工藝生長(zhǎng)金剛石涉及通過將不同數(shù)量的各種氣體（碳和氫）送入生長(zhǎng)室，然后加熱這些氣體來制備基材，通常使用微波能量或熱絲加熱至高于 2000 °C 的溫度。 它的制備包括選擇合適的材料、其晶體取向、用金剛石粉末對(duì)其進(jìn)行清潔以及通過一系列測(cè)試將生長(zhǎng)過程中的基板溫度優(yōu)化至 800 °C 左右。

在生長(zhǎng)過程中，腔體中的材料被等離子體蝕刻，并可以結(jié)合到生長(zhǎng)的金剛石中。特別是，CVD 金剛石經(jīng)常被來自空腔和二氧化硅基材的硅污染。

CVD 方法的優(yōu)點(diǎn)包括可以大面積合成金剛石，尤其是在具有不同形狀的基材上，可以精確控制化學(xué)雜質(zhì)，從而控制所生產(chǎn)的金剛石的特性，這在工業(yè)應(yīng)用中非常有用，因?yàn)榻饎偸亲匀唤缰幸阎钣驳牟牧?，也是最好的熱?dǎo)體，因?yàn)樗鼘?duì)熱、輻射和酸具有極強(qiáng)的抵抗力。此外，金剛石是極好的電絕緣體。

Diafilm TM220

傳統(tǒng)熱管理解決方案的局限性可能會(huì)給組件帶來嚴(yán)重的瓶頸。這迫使航空航天、電信和國(guó)防工業(yè)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在外形、性能和可靠性之間做出權(quán)衡。

元素六的 TM220 具有熱各向同性，可在平面方向有效地傳播熱量，具有低密度、化學(xué)惰性和機(jī)械穩(wěn)定性。

“使用化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)金剛石意味著，現(xiàn)在可以再生地生長(zhǎng)具有針對(duì)每種應(yīng)用定制的特性的晶片級(jí)金剛石，而不是生長(zhǎng)小塊金剛石。過去 15 年的開創(chuàng)性工作使得針對(duì)汽車音響系統(tǒng)的金剛石揚(yáng)聲器到智能手機(jī)制造的精密加工等多種應(yīng)用的工藝開發(fā)成為可能，為下一代金剛石驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)提供了一個(gè)很好的平臺(tái)。隨著消費(fèi)者對(duì)數(shù)據(jù)的需求不斷增加，以及采用新的半導(dǎo)體材料推動(dòng)功率密度的顯著增加，需要新穎的散熱解決方案。利用比替代解決方案高 10 倍的金剛石熱導(dǎo)率，為半導(dǎo)體設(shè)計(jì)手冊(cè)帶來了新的重要解決方案。

汽車和運(yùn)輸行業(yè)中新技術(shù)和高功率運(yùn)行條件的出現(xiàn)意味著必須開發(fā)新材料以滿足嚴(yán)格的要求。新技術(shù)的發(fā)展和采用給消費(fèi)電子公司和支持它們的工具制造商帶來了壓力。新的 5G 無線技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)以及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備依賴于更堅(jiān)固、更難加工的新材料。

CVD 金剛石解決方案可減少熱管理瓶頸并實(shí)現(xiàn)更低的工作溫度。

圖 2：Diafilm TM220

Twitchen 指出，金剛石可以分散大量熱量，將熱量散布到更大的體積上，從而降低結(jié)溫。與其他解決方案相比，Diamond 有可能將結(jié)溫降低 30% 以上。

熱控制是幾乎所有半導(dǎo)體結(jié)的基本動(dòng)作。與此同時(shí)，我們都想要一個(gè)更小、更長(zhǎng)的電池。通常，如果設(shè)備變熱，您將失去效率和電池壽命?！耙虼耍绻茏屧O(shè)備保持涼爽，您將獲得更高的效率和更好的性能。這在尺寸、重量和功率壓力非常重要 （SWaP） 的應(yīng)用中可能尤其重要，例如在衛(wèi)星中。其他熱管理解決方案（例如氮化鋁）的熱導(dǎo)率約為 200 W/mK。價(jià)值比其高 10 倍的鉆石解決方案現(xiàn)在已成為商業(yè)現(xiàn)實(shí)，這意味著具有徹底改變?cè)S多工業(yè)市場(chǎng)的巨大潛力?！盩witchen 說。

與 Diafilm 的其他 TM 材料等級(jí)一樣，TM220 是熱各向同性的。它在平面方向上與通過材料一樣有效地?cái)U(kuò)散熱量。Diafilm TM220 的其他特性包括介電常數(shù)、光學(xué)透明度、電絕緣性、低密度和化學(xué)惰性。

Twitchen 強(qiáng)調(diào)了元素六如何從射頻器件封裝、X 射線生成和高性能 ASIC 行業(yè)獲得積極反饋，這些行業(yè)都是 TM220 等級(jí)的早期采用者?！癉iafilm TM220 材料有標(biāo)準(zhǔn)厚度可供選擇，可以根據(jù)不同客戶的要求進(jìn)行制造，”Twitchen 說?！　?/p>