近年來(lái)，隨著微電子技術(shù)、集成電路技術(shù)的發(fā)展，電子器件逐漸向高集成、小體積、大功率等方向發(fā)展。為了確保器件穩(wěn)定運(yùn)行、延長(zhǎng)器件使用壽命，應(yīng)用端對(duì)電子器件的散熱要求不斷提升。以氧化鎵、氮化鋁、金剛石為代表的第四代半導(dǎo)體材料受到日益廣泛的關(guān)注。其中金剛石具有極高的熱導(dǎo)率，理論上可達(dá)到2000W/(m·K)以上，室溫下為銅的五倍，同時(shí)其還具有比熱容小、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，其器件在高溫工作時(shí)不易累積熱量，且在溫度變化時(shí)不易發(fā)生變形，在高溫環(huán)境下化學(xué)穩(wěn)定性好，因此在高功率器件散熱方面具有巨大應(yīng)用潛力，終端應(yīng)用涉及到光通信、航天航空、新能源汽車、5G基站、電子封裝、光伏、儲(chǔ)能等領(lǐng)域。

金剛石熱沉片（來(lái)源：中材人工晶體研究院(山東)有限公司）

不過(guò)，天然金剛石是在地球內(nèi)部的高溫和高壓條件下，經(jīng)過(guò)數(shù)億年的地質(zhì)時(shí)間而形成的，儲(chǔ)量稀缺、價(jià)格高昂，而人工合成金剛石需要模擬天然金剛石的結(jié)晶條件和生長(zhǎng)環(huán)境，使得成本和尺寸成為制約其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。目前，人造金剛石制備方法主要有高溫高壓法（HTHP）和化學(xué)氣相沉積法（CVD），其中CVD法金剛石通常采用甲烷和氫氣作為前驅(qū)體，在高溫（約1000℃）、常壓（1 atm）或低壓條件下，以氣相外延的方式在襯底上進(jìn)行生長(zhǎng)，能夠獲得距與天然金剛石幾乎相同的物理、化學(xué)特性的金剛石材料；與HTHP法金剛石相比，CVD法不會(huì)受到高壓設(shè)備尺寸的限制，近年來(lái)已成為大尺寸金剛石材料制備的首選方法。

CVD金剛石人工合成工藝又可細(xì)分為熱絲化學(xué)氣相沉積（HFCVD）、微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）等技術(shù)。其中，MPCVD法運(yùn)用微波發(fā)生器作為能量激發(fā)源，通過(guò)波導(dǎo)管將其通入生長(zhǎng)倉(cāng)，激發(fā)反應(yīng)氣體離解成等離子的形式，繼而在基板上沉積合成金剛石。由于產(chǎn)生的等離子體純凈、無(wú)電極和反應(yīng)器壁污染，能夠制得高晶體質(zhì)量的單晶金剛石材料，但MPCVD法存在制備效率低、設(shè)備價(jià)格昂貴、制備成本偏高、不易擴(kuò)大沉積面積等缺點(diǎn)。HFCVD法金剛石利用通電加熱至2000℃以上的熱絲，使反應(yīng)氣體在其表面和附近被高溫分解成原子氫和多種碳?xì)浠鶊F(tuán)，從而實(shí)現(xiàn)在基板上沉積金剛石。該技術(shù)作為最早成功制備合成金剛石的方法之一，其具有制備成本低、裝置簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)大面積沉積等優(yōu)點(diǎn)，能夠生產(chǎn)出導(dǎo)熱性能優(yōu)異、適用于工業(yè)大規(guī)模應(yīng)用的熱學(xué)級(jí)多晶金剛石材料。

HFCVD裝置（上）及原理（下）示意（圖源：網(wǎng)絡(luò)）

為拓寬金剛石材料在AI高功率器件中的應(yīng)用，同時(shí)降低應(yīng)用成本，10月22-23日，在深圳“新材料為AI產(chǎn)業(yè)提速”先鋒論壇上，粉體圈邀請(qǐng)了中材人工晶體研究院(山東)有限公司的魏華陽(yáng)高工分享報(bào)告《金剛石在熱管理中的應(yīng)用》，報(bào)告將著重介紹團(tuán)隊(duì)基于CVD長(zhǎng)晶技術(shù)開(kāi)展高導(dǎo)熱CVD金剛石材料的裝備和工藝研究。分享其開(kāi)展大尺寸HFCVD金剛石的產(chǎn)品研發(fā)，并完成16英寸HFCVD金剛石的技術(shù)突破。

報(bào)告人介紹

魏華陽(yáng)，高級(jí)工程師，碩士畢業(yè)于武漢理工大學(xué)，現(xiàn)任中材人工晶體研究院(山東)有限公司總經(jīng)理助理，兼任金剛石事業(yè)部負(fù)責(zé)人。長(zhǎng)期從事金剛石、碳化硅等超硬材料的開(kāi)發(fā)及其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究工作。主持中國(guó)建材集團(tuán)“揭榜掛帥”項(xiàng)目高強(qiáng)、超硬晶體材料制備及精密加工能力建設(shè)的研究中的課題一，開(kāi)發(fā)出直徑大于400mm超大超厚工具級(jí)CVD金剛石晶體材料，年產(chǎn)5000萬(wàn)mm³高性能金剛石膜產(chǎn)線。主持大尺寸碳化硅襯底關(guān)鍵工藝貫通及核心裝備研制工作，順利突破大尺寸碳化硅村底工程化關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電阻式大尺寸單晶長(zhǎng)晶爐。

深圳AI新材料論壇