隨著人工智慧、高效能運算、電動車與無線通訊等新世代應用快速發展，晶片的運算效能不斷攀升，但隨之而來的高熱量卻成為設計上的最大挑戰。當晶片持續微縮、功率密度不斷提升，熱管理問題日益嚴峻，傳統散熱材料如矽或銅已難以應對極端應用的需求。
在這樣的背景下，鑽石散熱基板逐漸被視為解決晶片熱挑戰的「終極材料」。憑藉其高達 2000 W/(m·K) 以上的超高熱導率、優異的電絕緣性與卓越的機械強度，鑽石能迅速分散晶片運作時的熱點，顯著降低工作溫度，延長元件壽命並確保效能穩定。從伺服器、資料中心、航太電子到高功率雷射與光電組件，鑽石正逐步改寫熱管理的標準，成為半導體產業邁向更高效能時不可或缺的關鍵材料。
目錄
鑽石散熱基板的獨特優勢：為何超越傳統材料？
隨著摩爾定律推進，高功率晶片的體積越來越小，但產生的熱量卻不斷增加。這些積聚的熱量會在晶片上形成熱點，不僅影響效能，甚至導致元件損壞。鑽石散熱基板能為晶片提供一條超高速熱傳導通道，將熱量迅速分散，從根本上解決高功率晶片熱點的挑戰。
鑽石散熱基板（Diamond Substrate）：是一種以鑽石為基材的高效能散熱材料，專門應用於高功率電子元件與先進半導體裝置。
由於鑽石具備極高的熱導率，它能迅速將元件運作時產生的熱量傳導出去，降低元件溫度，進而提升效能、穩定性與壽命。隨著人工智慧、高效能運算、電動車與無線通訊等領域對晶片效能的需求不斷提升，熱管理問題日益嚴峻，鑽石散熱基板逐漸被視為解決熱挑戰的「終極材料」。
鑽石散熱基板的特色
鑽石因其多重優異特性，被譽為半導體材料的理想選擇：
- 超高熱導率：高達 2000–2400 W/(m·K)，遠超過矽（150 W/(m·K）與銅（380 W/(m·K）），能迅速分散熱點。
- 極佳電絕緣性：擊穿電場強度可達 10 MV/cm，適合高壓、高功率元件。
- 耐磨與抗損壞能力：延長元件與工具壽命，適合高耐久應用。
- 高光學透明度與低吸收率：適合光學窗口、透鏡及高性能光電子元件。
- 化學穩定性強：耐酸鹼、抗腐蝕，即使在嚴苛環境中亦能保持穩定性能。
- 生物相容性佳：無毒、無排斥反應，可應用於醫療器械與植入式裝置。
鑽石散熱基板如何製作？
目前，鑽石散熱基板主要透過 化學氣相沉積法（CVD, Chemical Vapor Deposition） 製造。依據不同的技術路徑，CVD 可分為以下三種主要方式：
- 熱絲法 CVD (Hot Filament CVD)
- 方法：利用高溫金屬絲分解含碳氣體，促使鑽石沉積。
- 特色：製程穩定、可製造大面積鑽石，成本相對較低。
- 用途：常用於工具鍍層與一般散熱基板。
- 直流等離子體 CVD (DC Plasma CVD)
- 方法：透過直流電弧產生高溫等離子體，快速分解氣體。
- 特色：成長速度快，可生成熱導率極高、接近單晶的鑽石結構。
- 用途：專門用於高功率密度電子元件與光電子散熱基板。
- 微波等離子體 CVD (Microwave Plasma CVD)
- 方法：使用微波能量激發高純度等離子體，沉積高品質鑽石。
- 特色：能製造光學級與寶石級鑽石，兼具高熱導率與光學透明度。
- 用途：應用最廣，涵蓋高功率散熱、醫療設備、光學元件甚至珠寶。
每一種製程都有其優點，不知道該怎麼選擇？ 歡迎與我們聯繫，讓宏崴專家為您提供最適合的解決方案。
鑽石散熱基板的物理性質
鑽石作為材料的特性，讓其在半導體產業中展現無可取代的價值：
| 等級 | 光學級 | 散熱片等級 |
| 鑽石類型 | 單晶 | 多晶 |
| 密度 | 3.52克/立方厘米 | 3.52克/立方厘米 |
| 拉曼半峰全寬(FWHM) | ~2.1 cm⁻¹ | ~2.85 cm⁻¹ |
| 氮濃度 | <0.5 ppm | |
| 熱導率 | 1900~2200 W/(m·K) 300K | 1200~2000 W/(m·K) 300K |
| 透射率 | >70% 1064 nm | |
| 折射率 | 2.379 @ 10.6 微米 | |
| 楊式模量 | 850GPa-1200GPa | 850GPa |
| 化學穩定性 | 不溶於所有的酸和鹼 | 不溶於所有的酸和鹼 |
| 平行度 | <4μm/cm |
這些特性，使鑽石散熱基板成為高功率電子、光電子與未來奈米級積體電路的核心關鍵材料。
鑽石單晶與多晶的比較
在鑽石散熱基板的應用領域中，CVD 鑽石依照結構差異可分為 單晶與多晶兩大類。不同結構的 CVD 鑽石，在熱傳導、機械強度、光學與電氣性能上皆有顯著差異，也因此被應用於不同的產業需求。以下表格整理了單晶與多晶 CVD 鑽石晶圓的主要差別：
| 單晶CVD鑽石晶圓 | 多晶CVD鑽石晶圓 | |
| 結構 | 單一、連續的晶體結構 | 多個隨機取向的小晶體 |
| 機械性質 | 卓越的硬度、強度和耐磨性 | 強度較低，受晶界影響 |
| 熱導率 | 更高，散熱性能優異 | 較低（由於晶粒邊界） |
| 光學特性 | 卓越的光學清晰度和精度 | 淨度較低，可能有缺陷 |
| 電氣性能 | 高度可控、依方向而定 | 各向同性較高，控制性較低 |
| 應用 | 電子、光學、高性能應用 | 工業工具、散熱器、磨料 |
鑽石與其他常見紅外材料的性能對比
在選擇半導體或光學材料時，物理性質的差異往往決定了其應用範圍與效能表現。特別是在高功率電子、紅外光學、雷射及精密光學系統中，材料的帶隙、熱導率、折射率與熱膨脹係數等參數，都會直接影響其散熱能力、光學性能以及可靠性。
| 物理性質 | 單位 | 鑽石 (Diamond) | 硒化鋅 (ZnSe) | 硫化鋅 (ZnS) | 鍺 (Ge) | 矽 (Si) | 砷化鎵 (GaAs) | 氧化鋁 (Al₂O₃) | |
| 帶隙 (Band gap | eV | 5.48 | 2.7 | 3.9 | 0.664 | 1.11 | 1.42 | 9.9 | |
| 截止波長 (Cut-off wavelength) | μm | 20 | 14 | 23 | 5.5 | ||||
| 吸收係數 (Absorption coefficient) | 0.1~0.3 | 0.005 | 0.2 | 0.02 | 0.35 | 0.01 | |||
| 吸收係數 (Absorption coefficient) | 10.6 μm | 0.1~0.3 | 0.0005 | 0.2 | 0.2 | ||||
| 顯微硬度 (Microhardness) | kg/mm² | 8300 | 137 | 230 | 780 | 1150 | 721 | 190 | |
| 折射率 (Refractive index) | 2.38 | 2.40 | 2.19 | 4.00 | 3.42 | 3.28 | 1.63 | ||
| dn/dT | 10⁻³/K | 1.0 | 6.4 | 4.1 | 40 | 13 | 15 | 1.3 | |
| 熱導率 (Thermal conductivity) | W/(cm·K) | 18~22 | 0.19 | 0.27 | 0.59 | 1.63 | 0.55 | 0.35 | |
| 熱膨脹係數 (Coefficient of thermal expansion) | 10⁻⁶K⁻¹ | 光學級 | 1.3 | 7.6 | 7.9 | 5.9 | 2.56 | 5.9 | 5.8 |
宏崴比較了鑽石 (Diamond) 與其他常見材料（如 ZnSe、ZnS、Ge、Si、GaAs、Al₂O₃）的關鍵物理性質，呈現出鑽石在熱導率、硬度以及光學特性上的絕對優勢，這也說明了為什麼鑽石能成為新世代散熱基板與光學元件的理想材料。
鑽石 vs SiC/GaN：熱管理材料的選擇
在為高功率元件選擇熱界面材料時，碳化矽 (SiC) 和 氮化鎵 (GaN) 是常見選項，但當面臨更嚴峻的熱點挑戰時，鑽石因其超高的熱導率而脫穎而出。
我們為您提供一個鑽石 vs SiC 散熱比較，幫助您做出最佳的技術選擇。
| 特性 | 鑽石 (Diamond) | 碳化矽 (SiC) |
| 熱導率 (Thermal Conductivity) | 1,200 – 2,200 W/(m·K) | 約 150 – 200 W/(m·K) |
| 熱傳導能力 | 極高，是目前已知材料中的頂尖，能迅速分散熱點。 | 良好，遠勝過傳統矽，適合中高功率應用。 |
| 電絕緣性 (Electrical Insulation) | 極佳，擊穿電場強度達 10 MV/cm。 | 優秀，擊穿電場強度達 3 MV/cm。 |
| 物理特性 | 硬度高、耐磨損、化學穩定性極佳。 | 硬度高、耐磨損、能耐高溫與高壓。 |
| 材料成本 | 初期成本較高，但能帶來更高的效能與壽命。 | 相對鑽石較低，被廣泛應用於主流市場。 |
| 應用場景 | 高效能運算 (HPC)、資料中心伺服器、航太電子、高功率雷射等對熱管理要求極高的極端應用。 | 電動車逆變器、充電樁、5G 基地台、電源供應器等中高功率電子裝置。 |
如何選擇：
選擇鑽石：如果您專案的核心目標是追求極致效能、最高可靠性以及最長的元件壽命，且面臨難以解決的熱點問題，那麼鑽石散熱基板將是您的終極解決方案。它能讓晶片在更高頻率下穩定運行，並突破傳統材料的效能瓶頸。
選擇 SiC：如果您在開發的產品屬於主流中高功率應用，且希望在效能與成本之間取得平衡，那麼 SiC 依然是極具競爭力的優秀材料。
鑽石散熱基板的投資效益
許多客戶在評估鑽石晶圓時，最關心的就是其成本。
儘管初期投入較高，但從長遠來看，鑽石散熱基板所帶來的效能提升與元件壽命延長，能顯著降低整體系統的運營與維護成本。
對於追求極致效能的高階應用，其投資回報率遠超傳統材料。
鑽石散熱基板的應用領域
憑藉其卓越的熱導率、電絕緣性與機械強度，鑽石散熱基板在多個先進科技領域展現出極高價值，成為支撐新世代高效能裝置的關鍵材料。
- 熱界面材料（TIMs）:鑽石晶圓可作為晶片、模組與散熱器之間的高效熱界面層，能有效降低熱阻，顯著提升熱傳導效率，確保高功率元件穩定運行。
- 電子封裝與基板:在半導體封裝中，鑽石基板提供出色的散熱性能，支援元件在高功率密度下長時間運作，推動電子產品朝向小型化與高效能化發展。
- 伺服器與高效能運算:鑽石可作為 GaN、SiC 等高功率晶體的熱擴散層，降低內部溫升並延長元件壽命，提升資料中心與伺服器系統的穩定性與可靠性。其優異的耐高溫與機械特性，也非常適合應用於 2.5D/3D 堆疊等先進封裝技術。
- LED 與光電組件:在 LED 及光電領域，鑽石基板能顯著改善熱管理，延長元件壽命並提升發光效率與亮度，滿足高階光電應用的嚴格需求。
- 絕緣基板:CVD 鑽石晶圓兼具高熱導率與極佳電絕緣性，能作為功率電子元件與 RF（射頻）器件的理想絕緣基板，支援高頻高速運作。
- 醫療器材:工業鑽石也廣泛應用於醫療領域，例如高精度手術器材與牙科鑽頭。其硬度與耐磨性大幅提升了醫療工具的壽命與精準度。
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常見問題 (FAQ)
- Q1：鑽石散熱基板的成本高嗎？
- A： 鑽石散熱基板的初期成本確實高於傳統材料，但對於要求高穩定性、長壽命與極致效能的應用（如高效能運算、航太或軍事領域），其優越的熱管理能力能夠延長元件壽命並提升系統穩定性，從長遠來看，能顯著降低總體擁有成本。我們樂於與您探討具體的投資回報分析。
- Q2：CVD 鑽石是否能應用於 2.5D/3D 封裝？
- A： 是的。CVD 鑽石的優異熱導率與機械強度，使其成為 2.5D/3D 封裝技術的理想選擇。在先進封裝中，鑽石基板能作為關鍵的熱擴散層，有效處理垂直堆疊晶片所產生的熱量，確保異質整合與高密度封裝的可靠性。這正是我們宏崴技術的核心應用領域之一。
- Q3：你們的鑽石晶圓供應週期需要多久？
- A： 我們的供應週期會根據您的客製化需求（如尺寸、等級與數量）而定。請直接聯繫我們的專家團隊，我們將根據您的專案需求提供最精準的報價與交期評估。
- Q4：除了散熱，鑽石還有哪些應用優勢？
- A： 除了熱導率，鑽石還具備極佳的電絕緣性與化學穩定性，這使得它成為功率電子元件與高頻射頻 (RF) 器件的理想絕緣基板。此外，其高硬度與耐磨損特性也廣泛應用於精密研磨與醫療器材領域。
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