综述：合成金刚石的界面结合与导热性：综述

《Progress in Surface Science》：Interface bonding and thermal conductivity of synthetic diamond: A review

　　

摘要

合成钻石因其卓越的导热性能而备受青睐，是热管理领域的领先材料。在实际应用中，它通常与半导体或金属基板结合使用，以创建高效的热量散发路径，因此结合界面的导热性在现代电子设备中至关重要。本文总结了近期在合成钻石键合技术和导热性方面的进展，并阐明了影响其界面导热性的潜在机制。首先，概述了钻石的结构和热性能；其次，讨论了现有的合成钻石及其他材料导热性理论模型的应用；第三，研究了合成钻石与典型半导体（如Si、GaN和β-Ga₂O₃）之间的界面微观结构，以探讨集成过程与基于钻石的组件界面导热性之间的关系；最后，回顾了合成钻石表面界面碳化物的形成过程，以期深入理解其键合微观结构和界面导热性。通过这种方式，本文旨在关联集成过程、界面微观结构及界面导热性，从而指出未来在钻石界面热传输调节方面的发展方向和挑战。

部分摘录

引言

随着封装密度和芯片电流负荷的持续增加，热管理成为决定现代电子设备服役性能和长期可靠性的关键因素。由于其卓越的导热性[1]、[2]，合成钻石被认为是一种有前景的热管理材料。为了满足功能需求，合成钻石通常与半导体基板或金属结合使用。

晶体结构与热性能

如图1(a)所示，在钻石的单位晶胞中，每个碳原子进行sp³杂化，与四个最近邻的碳原子形成四个等效的共价键，键角为109.47°，从而构建出稳定的四面体结构。钻石具有立方和六方两种同素异形体，均由sp³杂化的碳原子构成的三维四面体网络组成。如图1(b)所示，立方钻石和六方钻石具有不同的堆叠顺序和晶体对称性。

导热模型

为了解释合成钻石及相关材料或组件的界面导热机制，提出了多种理论模型。界面热传导率（TBC）通常定义为单位面积上的热流量与界面处温度不连续性的比值[29]。为了简化计算并重点关注声子失配机制，本节讨论了弹性失配模型，包括声学失配模型（Acoustic Mismatch Model, AMM）和扩散失配模型（Diffuse Mismatch Model）等。

钻石与半导体

由于Si、β-Ga₂O₃和GaN本身具有较高的热阻，且半导体器件的工作功率不断增加，将这些器件与导热材料结合使用已成为一种有效的被动散热策略。凭借其极高的导热性，钻石在半导体应用中提供了显著的优势[59]、[60]、[61]。当前的集成策略主要包括...

钻石与金属

与功率器件材料相比，钻石在热膨胀系数、晶格常数等物理性能上存在显著差异。此外，钻石的润湿性极低，难以与其他材料实现良好的界面键合。为解决这一问题，人们在钻石表面引入了Ti、Cr、W、Mo和Zr等过渡元素，形成金属碳化物，从而改善了界面润湿性并增强了机械键合。

界面微观结构

本节使用AMM和DMM框架分析了金属-钻石及碳化物-钻石系统的界面热传导率，并提出了提高钻石界面导热性的建议。AMM和DMM计算中使用的材料参数总结如下表4所示：

如图14(a)所示，Cr、Mo和W金属的体导热率高于其相应的碳化物。然而，AMM/DMM计算和某些实验结果表明，碳化物-钻石界面的...

结论

钻石超高的导热性和低热膨胀系数使其成为热管理应用的理想选择。本文总结了合成钻石与半导体器件（Si、β-Ga₂O₃、GaN）之间界面导热性的最新进展，确定了关键因素，例如界面键合强度、表面粗糙度与接触面积、晶体取向、结晶度以及晶格相干性（声子谱匹配）。在钻石方面...

CRediT作者贡献声明

余金煜：撰写原始草稿、方法学设计、数据整理。黄辉：撰写、审阅与编辑、监督、资源协调。林巧莉：形式分析。穆德奎：撰写、审阅与编辑、监督、资金争取。黄涵：撰写、审阅与编辑、监督、资源协调。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。

致谢

深圳市科技计划（项目编号：JCYJ20250604174441055）的财政支持。本研究还得到了深圳大学深圳校区先进制造学院（地址：中国深圳市518107）的资助。

余金煜|黄辉|林巧莉|穆德奎|黄涵

厦门华桥大学制造工程学院，中国厦门361021