LED作为高效且寿命长的光源，广泛应用于各类工业照明、汽车前大灯、显示器及指示灯等领域。然而，尽管LED的能效较白炽灯显著提升，但在工作时会产生大量的热量。若热量无法及时散出，结温升高将导致发光效率下降、波长红移、寿命缩短等问题。传统封装多采用陶瓷（如氮化铝AlN、氧化铝Al₂O₃）或金属（如铜）作为热扩散基板，但这些材料导热率有限（AlN约170–200 W/m·K，Al₂O₃约27 W/m·K，铜约400 W/m·K），在高功率密度（可达500 W/cm²）下仍难以满足散热需求。

深圳技术大学研究团队针对高功率LED散热瓶颈，提出了一种采用单晶金刚石作为热扩散器的封装方案，通过优化界面键合技术，显著降低了热阻，提升了器件散热能力，为高功率LED及其他电子器件提供了高效热管理路径。相关成果以“Enhanced thermal performances of high-power LED by diamond packaging”为题，发表在《Diamond & Related Materials》。

研究团队选用单晶金刚石（SCD）作为热扩散器。单晶金刚石室温导热率高达约2000 W/m·K，远超传统材料，且热膨胀系数低（0.8–4.0 × 10⁻⁶ K⁻¹），与GaN半导体更匹配，有望降低热应力。研究对比了三种尺寸均为5 mm × 5 mm × 0.5 mm的热扩散基板：单晶金刚石、AlN和Al₂O₃，搭配同一款商用高功率LED芯片（额定电流3 A）进行封装与测试。

为解决金刚石表面惰性、难以直接金属化的难题，团队开发了一种先进键合工艺：首先对金刚石表面进行Ar离子轰击激活清洗，去除污染物并活化表面；随后通过磁控溅射依次沉积TiC过渡层（约100 nm厚）、Cu导热层（约3 µm）和Au焊接层（约1 µm）；再经500 ℃真空退火强化界面；最后采用Au₈₀Sn₂₀共晶焊料将LED芯片键合至金属化金刚石基板。AlN和Al₂O₃基板也采用相同金属化和键合流程，以确保对比公平。

实验结果显示，金刚石封装的散热性能大幅领先。在3 A工作电流下，金刚石组LED芯片最高温度仅55.8 ℃，而AlN组为74.9 ℃，Al₂O₃组高达128.6 ℃——金刚石将结温分别降低了19.1 ℃和72.8 ℃。热红外成像清晰显示，金刚石基板热量分布更均匀，几乎无明显热点，而Al₂O₃基板热量高度集中于芯片区域。

该研究表明，通过Ar离子激活+TiC过渡层+共晶键合的金刚石封装策略，可大幅降低高功率LED热阻、抑制热点、提升器件可靠性与功率密度。这一成果不仅适用于LED，还可扩展至激光二极管（LD）及其他高功率电子器件，为下一代高性能电子设备的热管理提供了重要参考。

图文导读

图1. (a) 基底材料照片（从左至右依次为）金刚石、氮化铝和氧化铝基底。

(b) LED芯片示意图（单位为微米），展示底部视图与侧面视图。侧面视图标注了LED芯片的厚度。

图2. 采用金刚石散热器的功率型LED封装。

图3. (a) LED芯片的显微图像。(b) LED测试装置的俯视照片，显示散热器（白色）、位于散热器中心的LED芯片以及为LED供电的导线。(c) 测试装置示意侧视图。基板指代散热片材质（金刚石、氮化铝或氧化铝）。示意图未按比例绘制。

来源：DT半导体材料