Diafilm TM220 是一種化學(xué)氣相沉積 （CVD） 金剛石熱等級，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，E6 首席技術(shù)專家 Daniel Twitchen 博士強調(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。這種材料的市場推出響應(yīng)了不斷增長的電力需求，這推動了半導(dǎo)體熱管理的界限。

元素六的 Diafilm 等級范圍從 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_、空間和衛(wèi)星 5G 基站等。此外，用于城域和長途內(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

鉆石的特點是其卓越的硬度、強度、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)晶片級金剛石。現(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，這種天然分級方案得到了擴展，但從最廣泛的意義上講，它仍然與合成鉆石相關(guān)。

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

通過 CVD 工藝生長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、用金剛石粉末對其進行清潔以及通過一系列測試將生長過程中的基板溫度優(yōu)化至 800 °C 左右。

在生長過程中，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，因為金剛石是自然界中已知最硬的材料，也是最好的熱導(dǎo)體，因為它對熱、輻射和酸具有極強的抵抗力。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給組件帶來嚴(yán)重的瓶頸。這迫使航空航天、電信和國防工業(yè)的系統(tǒng)設(shè)計人員在外形、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)惰性和機械穩(wěn)定性。

“使用化學(xué)氣相沉積法生長金剛石意味著，現(xiàn)在可以再生地生長具有針對每種應(yīng)用定制的特性的晶片級金剛石，而不是生長小塊金剛石。過去 15 年的開創(chuàng)性工作使得針對汽車音響系統(tǒng)的金剛石揚聲器到智能手機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)動市場提供了一個很好的平臺。隨著消費者對數(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)計手冊帶來了新的重要解決方案。

汽車和運輸行業(yè)中新技術(shù)和高功率運行條件的出現(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)、增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實以及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備依賴于更堅固、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)的基本動作。與此同時，我們都想要一個更小、更長的電池。通常，如果設(shè)備變熱，您將失去效率和電池壽命。“因此，如果您能讓設(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，這意味著具有徹底改變許多工業(yè)市場的巨大潛力。”Twitchen 說。

與 Diafilm 的其他 TM 材料等級一樣，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擴散熱量。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 等級的早期采用者。“Diafilm TM220 材料有標(biāo)準(zhǔn)厚度可供選擇，可以根據(jù)不同客戶的要求進行制造，”Twitchen 說。