新一代超高热导半导体封装基板——金刚石

 

关键词：金刚石，半导体封装，散热材料，高端国产材料

引言：基板是裸芯片封装中热传导的关键环节。随着微电子技术的发展，高密度组装、小型化特性愈发明显，组件热流密度越来越大，对新型基板材料的要求越来越高，要求具有更高的热导率、更匹配的热膨胀系数以及更好的稳定性。而具备这些优良特性的金刚石应运而生。

图1 封装模型封装基板材料的要求是:高电阻率、高热导率、低介电常数、介电损耗、与硅和砷化镓有良好的热匹配性、表面平整度高、有良好的机械性能及易于产业化生产等。一般的封装基板有Al2O3陶瓷、SiC陶瓷、AlN材料。但是Al2O3的热膨胀系数 (7.2×10-6/℃) 和介电常数 (9.7) 相对Si单晶而言偏高, 热导率 (15-35W/ (m·K)) 仍然不够高, 导致Al2O3陶瓷基片并不适合在高频、大功率、超大规模集成电路中使用；SiC陶瓷的热导率很高,且SiC结晶的纯度越高, 热导率越大；SiC最大的缺点就是介电常数太高, 而且介电强度低, 从而限制了它的高频应用, 只适于低密度封装；AlN材料介电性能优良、化学性能稳定, 尤其是它的热膨胀系数与硅较匹配等特点使其能够作为很有发展前景的半导体封装基板材料, 但热导率目前最高也只能260W/ (m·K)，随着半导体封装对散热的要求越来越高，AlN材料也有一定的发展瓶颈。而金刚石是目前已知自然界中热导率最高的物质，金刚石的热导率为2200~2600 W/(m.K)，热膨胀系数约为1.1×10-6/℃ ，在半导体、光学等方面具备其他封装材料所达不到的优良特性。

 

随着全球汽车行业越来越多地转向电动汽车以实现碳中和，开发下一代汽车半导体对于提高电动汽车的燃油效率和功耗，降低电池成本至关重要。与Si（硅）、SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）等当前主流半导体材料相比，被称为“终极半导体材料”的金刚石具有更高的电压操作能力和优异的导热性（散热）。使用金刚石开发和大规模生产下一代汽车半导体有望提高电动汽车的燃油效率和功耗，并降低电池成本。

 

近年来，金刚石半导体作为下一代高频高功率电子器件的一种有前途的材料受到了广泛关注，由于具有高的光学声子能以及最高的电子和空穴迁移率，具有高导热性、优异的介电击穿场、高载流子寿命、高饱和载流子速度。然而，尽管它在功率器件方面具有令人印象深刻的性能，但由于其目前研发水平较低，运行寿命比预期的要短得多，因此仍有望有显著的改进。

 

金刚石

一

金刚石简介

 

多晶金刚石（微粉）是利用独特的定向爆破法由石墨制得，高爆速炸药定向爆破的冲击波使金属飞片加速飞行，撞击石墨片从而导致石墨转化为多晶金刚石。其结构与天然的金刚石极为相似，通过不饱和键结合而成，具有很好的韧性。

 

结构与天然的Carbonado极为相似，由球形的微晶聚集而成，微晶尺寸仅有3-10nm。优异的磨削性能：高的去除率和韧性，具有自锐性与单晶金刚石比起来，更不容易产生表面划伤更适合用来研磨表面由不同硬度材料构成的工件。   

二

金刚石特点

金刚石是一种超宽禁带半导体材料，其禁带宽度为5.5 eV，比GaN、SiC等宽禁带半导体材料还要大。如下表所示，金刚石禁带宽度是Si的5倍；载流子迁移率也是Si材料的3倍，理论上金刚石的载流子迁移率比现有的宽禁带半导体材料（GaN、SiC）也要高2倍以上，同时，金刚石在室温下有极低的本征载流子浓度。并且，除了[敏感词]硬度以外，金刚石还具有半导体材料中[敏感词]的热导率， 为AlN的7.5倍，基于这些优异的性能参数，金刚石被认为是制备下一代高功率、高频、高温及低功率损耗电子器件最有希望的材料，被业界誉为“[敏感词]半导体”。

 

尤其是5G通讯时代迅速全面展开，金刚石单晶材料在半导体、高频功率器件中的应用日益凸显。金刚石单晶及制品是超精密加工、智能电网等国家重大战略实施及智能制造、5G通讯等产业群升级的重要材料基础，这一技术的突破与产业化对于中国智能制造、大数据产业自主安全具有重大意义。

金刚石半导体基板

一

金刚石半导体应用与优缺点

 

　金刚石半导体是指将人造金刚石用作半导体材料的技术和产物。由于金刚石具有极高的热导率、电绝缘性、硬度和化学稳定性，因此金刚石半导体可以用于制造高功率、高频率和高温环境下工作的电子器件，例如微波器件、功率放大器和高速晶体管等。

　　金刚石半导体可以应用于以下方面：

　1.微波器件：金刚石半导体可以制造出高功率、高频率的微波器件，如微波放大器、混频器、振荡器等。　　2.光电器件：金刚石半导体可以制造出高性能的光电器件，如探测器、光电二极管等。　　3.高温电子器件：金刚石半导体可以制造出在高温环境下工作的电子器件，如燃气轮机控制器、高温传感器等。　　4.功率电子器件：金刚石半导体可以制造出高功率、高效率的功率电子器件，如晶闸管、IGBT、MOSFET等。　　5.高速电子器件：金刚石半导体可以制造出高速电子器件，如高速晶体管、快速开关等。　　6.生物传感器：金刚石半导体可以制造出生物传感器，用于检测生物分子和细胞，如DNA传感器、生物电化学传感器等。

 

　　金刚石半导体的优点与缺点如下：

　　优点：　　1.金刚石半导体具有优异的热导率和电绝缘性，适合制造高功率、高温、高频率的电子器件。　　2.金刚石半导体具有极高的硬度和化学稳定性，可以保证电子器件的耐用性和稳定性。　　3.金刚石半导体的电学特性优异，具有高载流子迁移率和高电场饱和漂移速度，适合制造高性能的电子器件。　　4.金刚石半导体可以在恶劣的工作环境下长时间工作，如高温、高压、高辐射等。　　缺点：　　1.金刚石半导体的制造成本较高，且加工技术复杂，制造周期长。　　2.金刚石半导体的晶体生长技术难度大，且晶体质量难以保证，影响器件性能。　　3.金刚石半导体的尺寸较小，不利于大规模集成电路的制造。　　4.金刚石半导体的电子性质复杂，需要进一步研究和探索其机理。 

 

二

金刚石散热片生产法及在微波领域的应用

50多年来，采用高压高温技术（HPHT） 制造的合成金刚石广泛应用于研磨应用，充分发挥了金刚石极高硬度和极强耐磨性的特性。在过去20年中，基于化学气相沉积（CVD） 的新金刚石生成方法已投入商业化应用，这样就使得以较低成本生成单晶和多晶金刚石。这些新合成方法支持全面开发利用金刚石的光学、热学、电化、化学以及电子属性。　　目前金刚石已广泛应用于光学和半导体行业。本文主要讨论金刚石的热学优势，介绍金刚石散热片的工作原理，简要展示金刚石生成方法， 总结金刚石的一些常见应用（包括应用方法）并以金刚石未来应用前景作为结论。首先我们来简单介绍金刚石成为室温下所有固体材料中最佳导热体的原因及原理。

 

　　金刚石导热原理
　　金刚石是立方晶体，由碳原子通过共价键结合形成。金刚石的许多极致属性都是形成刚性结构的sp³ 共价键强度和少量碳原子作用下的直接结果。
　　金 属通过自由电子传导热量，其高热传导性与高导电性相关联，相比之下，金刚石中的热量传导仅由晶格振动（即声子）完成。金刚石原子之间极强的共价键使刚性晶 格具有高振动频率，因此其德拜特征温度高达2，220°K。由于大部分应用远低于德拜温度，声子散射较小，因此以声子为媒介的热传导阻力极小。但任何晶格 缺陷都会产生声子散射，从而降低热传导性，这是所有晶体材料的固有特征。金刚石中的缺陷通常包括较重的ˡ³C同位素、氮杂质和空缺等点缺陷，堆垛层错和位 错等扩展缺陷以及晶界等2D缺陷。

　　作为专门进行热管理的元件，天然金刚石应用在一些早期微波和激光二极管器件中。但适用天然金刚石板的可用性、尺寸及成本限制了金刚石的市场应 用。随着热学属性与IIa型天然金刚石相类似的微波辅助型CVD 多晶金刚石的出现，可用性问题得到了解决。目前，许多供应商提供一系列现成的热学等级的金刚石。由于独立式多晶金刚石采用直径达140 mm 的大型晶片生成，因此尺寸不再局限为单个器件或小型阵列，阵列尺寸可扩展至几厘米。基于以上原因，CVD 金刚石的实用性得到验证，自20世纪90年代以来已被广泛应用于各种器件之中。

 

二

金刚石散热片生产法及在微波领域的应用

随着大尺寸、高质量以及大范围、高灵活度的金刚石沉积技术的逐步开发， 有望使大规模集成电路和高速集成电路的发展进入一个新时代。与此同时， 金刚石制备技术的发展也推动了金刚石光学及光电子学的快速进步， 实现了光电子器件的尺寸大幅降低。高精度金刚石棱镜、金刚石图形化电极以及金刚石声表面波器件的应用都将推动光学、电学和声学领域技术的进一步发展。

 

　　金刚石相比于其他材料具有诸多极其优异的物理化学性能指标， 如极佳的机械性能、热学性能、透光性、半导体性能及化学惰性， 是一种全方位的不可替代的特殊多功能材料。这些特性在很多情况下都远远优于其他材料。氧化镓、金刚石是第四代半导体材料。其中，氧化镓是一种无机化合物，也是超宽禁带半导体材料，氧化镓超宽禁带半导体材料制造的功率器件，更耐热、更高效、成本更低、应用范围更广，有望替代碳化硅和氮化镓成为新一代半导体材料。　　而金刚石是最有应用前景的新一代半导体材料之一。其热导率和体材料迁移率在自然界中最高，在制作功率半导体器件领域应用潜力巨大。目前，全球都在加紧金刚石在半导体领域的研制工作。其中，日本已成功研发超高纯2英寸金刚石晶圆量产方法，其存储能力相当于10亿张蓝光光盘。随着我国加快推动关键技术突破，功能金刚石材料将由实验室阶段向商业化转变。

 

　　人造金刚石不仅仅是培育钻石，有望切入下一代半导体材料领域。目前，中兵红箭、黄河旋风、力量钻石、豫金刚石供应我国超73%高温高压法工业金刚石，前三家供应约65%份额。综合考虑扩产计划，预计行业总产值至2025年达103亿元，复合增速23%。因扩产速度有限，扩产受限+产能挤压+需求增加，现有市场供不应求可能导致价格进一步上涨，工业金刚石未来盈利能力有望进一步提升。