關(guān)鍵詞：金剛石，半導(dǎo)體封裝，散熱材料，高端國(guó)產(chǎn)材料

引言：基板是裸芯片封裝中熱傳導(dǎo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，高密度組裝、小型化特性愈發(fā)明顯，組件熱流密度越來(lái)越大，對(duì)新型基板材料的要求越來(lái)越高，要求具有更高的熱導(dǎo)率、更匹配的熱膨脹系數(shù)以及更好的穩(wěn)定性。而具備這些優(yōu)良特性的金剛石應(yīng)運(yùn)而生。

圖1 封裝模型封裝基板材料的要求是:高電阻率、高熱導(dǎo)率、低介電常數(shù)、介電損耗、與硅和砷化鎵有良好的熱匹配性、表面平整度高、有良好的機(jī)械性能及易于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等。一般的封裝基板有Al2O3陶瓷、SiC陶瓷、AlN材料。但是Al2O3的熱膨脹系數(shù) (7.2×10-6/℃) 和介電常數(shù) (9.7) 相對(duì)Si單晶而言偏高, 熱導(dǎo)率 (15-35W/ (m·K)) 仍然不夠高, 導(dǎo)致Al2O3陶瓷基片并不適合在高頻、大功率、超大規(guī)模集成電路中使用；SiC陶瓷的熱導(dǎo)率很高,且SiC結(jié)晶的純度越高, 熱導(dǎo)率越大；SiC最大的缺點(diǎn)就是介電常數(shù)太高, 而且介電強(qiáng)度低, 從而限制了它的高頻應(yīng)用, 只適于低密度封裝；AlN材料介電性能優(yōu)良、化學(xué)性能穩(wěn)定, 尤其是它的熱膨脹系數(shù)與硅較匹配等特點(diǎn)使其能夠作為很有發(fā)展前景的半導(dǎo)體封裝基板材料, 但熱導(dǎo)率目前最高也只能260W/ (m·K)，隨著半導(dǎo)體封裝對(duì)散熱的要求越來(lái)越高，AlN材料也有一定的發(fā)展瓶頸。而金剛石是目前已知自然界中熱導(dǎo)率最高的物質(zhì)，金剛石的熱導(dǎo)率為2200~2600 W/(m.K)，熱膨脹系數(shù)約為1.1×10-6/℃ ，在半導(dǎo)體、光學(xué)等方面具備其他封裝材料所達(dá)不到的優(yōu)良特性。

隨著全球汽車(chē)行業(yè)越來(lái)越多地轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車(chē)以實(shí)現(xiàn)碳中和，開(kāi)發(fā)下一代汽車(chē)半導(dǎo)體對(duì)于提高電動(dòng)汽車(chē)的燃油效率和功耗，降低電池成本至關(guān)重要。與Si（硅）、SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）等當(dāng)前主流半導(dǎo)體材料相比，被稱(chēng)為“終極半導(dǎo)體材料”的金剛石具有更高的電壓操作能力和優(yōu)異的導(dǎo)熱性（散熱）。使用金剛石開(kāi)發(fā)和大規(guī)模生產(chǎn)下一代汽車(chē)半導(dǎo)體有望提高電動(dòng)汽車(chē)的燃油效率和功耗，并降低電池成本。

近年來(lái)，金剛石半導(dǎo)體作為下一代高頻高功率電子器件的一種有前途的材料受到了廣泛關(guān)注，由于具有高的光學(xué)聲子能以及最高的電子和空穴遷移率，具有高導(dǎo)熱性、優(yōu)異的介電擊穿場(chǎng)、高載流子壽命、高飽和載流子速度。然而，盡管它在功率器件方面具有令人印象深刻的性能，但由于其目前研發(fā)水平較低，運(yùn)行壽命比預(yù)期的要短得多，因此仍有望有顯著的改進(jìn)。

金剛石

一

金剛石簡(jiǎn)介

多晶金剛石（微粉）是利用獨(dú)特的定向爆破法由石墨制得，高爆速炸藥定向爆破的沖擊波使金屬飛片加速飛行，撞擊石墨片從而導(dǎo)致石墨轉(zhuǎn)化為多晶金剛石。其結(jié)構(gòu)與天然的金剛石極為相似，通過(guò)不飽和鍵結(jié)合而成，具有很好的韌性。

結(jié)構(gòu)與天然的Carbonado極為相似，由球形的微晶聚集而成，微晶尺寸僅有3-10nm。優(yōu)異的磨削性能：高的去除率和韌性，具有自銳性與單晶金剛石比起來(lái)，更不容易產(chǎn)生表面劃傷更適合用來(lái)研磨表面由不同硬度材料構(gòu)成的工件。

二

金剛石特點(diǎn)

金剛石是一種超寬禁帶半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度為5.5 eV，比GaN、SiC等寬禁帶半導(dǎo)體材料還要大。如下表所示，金剛石禁帶寬度是Si的5倍；載流子遷移率也是Si材料的3倍，理論上金剛石的載流子遷移率比現(xiàn)有的寬禁帶半導(dǎo)體材料（GaN、SiC）也要高2倍以上，同時(shí)，金剛石在室溫下有極低的本征載流子濃度。并且，除了[敏感詞]硬度以外，金剛石還具有半導(dǎo)體材料中[敏感詞]的熱導(dǎo)率， 為AlN的7.5倍，基于這些優(yōu)異的性能參數(shù)，金剛石被認(rèn)為是制備下一代高功率、高頻、高溫及低功率損耗電子器件最有希望的材料，被業(yè)界譽(yù)為“[敏感詞]半導(dǎo)體”。

尤其是5G通訊時(shí)代迅速全面展開(kāi)，金剛石單晶材料在半導(dǎo)體、高頻功率器件中的應(yīng)用日益凸顯。金剛石單晶及制品是超精密加工、智能電網(wǎng)等國(guó)家重大戰(zhàn)略實(shí)施及智能制造、5G通訊等產(chǎn)業(yè)群升級(jí)的重要材料基礎(chǔ)，這一技術(shù)的突破與產(chǎn)業(yè)化對(duì)于中國(guó)智能制造、大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)自主安全具有重大意義。

金剛石半導(dǎo)體基板

一

金剛石半導(dǎo)體應(yīng)用與優(yōu)缺點(diǎn)

金剛石半導(dǎo)體是指將人造金剛石用作半導(dǎo)體材料的技術(shù)和產(chǎn)物。由于金剛石具有極高的熱導(dǎo)率、電絕緣性、硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，因此金剛石半導(dǎo)體可以用于制造高功率、高頻率和高溫環(huán)境下工作的電子器件，例如微波器件、功率放大器和高速晶體管等。

金剛石半導(dǎo)體可以應(yīng)用于以下方面：

1.微波器件：金剛石半導(dǎo)體可以制造出高功率、高頻率的微波器件，如微波放大器、混頻器、振蕩器等。2.光電器件：金剛石半導(dǎo)體可以制造出高性能的光電器件，如探測(cè)器、光電二極管等。3.高溫電子器件：金剛石半導(dǎo)體可以制造出在高溫環(huán)境下工作的電子器件，如燃?xì)廨啓C(jī)控制器、高溫傳感器等。4.功率電子器件：金剛石半導(dǎo)體可以制造出高功率、高效率的功率電子器件，如晶閘管、IGBT、MOSFET等。5.高速電子器件：金剛石半導(dǎo)體可以制造出高速電子器件，如高速晶體管、快速開(kāi)關(guān)等。6.生物傳感器：金剛石半導(dǎo)體可以制造出生物傳感器，用于檢測(cè)生物分子和細(xì)胞，如DNA傳感器、生物電化學(xué)傳感器等。

金剛石半導(dǎo)體的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)如下：

優(yōu)點(diǎn)：1.金剛石半導(dǎo)體具有優(yōu)異的熱導(dǎo)率和電絕緣性，適合制造高功率、高溫、高頻率的電子器件。2.金剛石半導(dǎo)體具有極高的硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，可以保證電子器件的耐用性和穩(wěn)定性。3.金剛石半導(dǎo)體的電學(xué)特性?xún)?yōu)異，具有高載流子遷移率和高電場(chǎng)飽和漂移速度，適合制造高性能的電子器件。4.金剛石半導(dǎo)體可以在惡劣的工作環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作，如高溫、高壓、高輻射等。缺點(diǎn)：1.金剛石半導(dǎo)體的制造成本較高，且加工技術(shù)復(fù)雜，制造周期長(zhǎng)。2.金剛石半導(dǎo)體的晶體生長(zhǎng)技術(shù)難度大，且晶體質(zhì)量難以保證，影響器件性能。3.金剛石半導(dǎo)體的尺寸較小，不利于大規(guī)模集成電路的制造。4.金剛石半導(dǎo)體的電子性質(zhì)復(fù)雜，需要進(jìn)一步研究和探索其機(jī)理。

二

金剛石散熱片生產(chǎn)法及在微波領(lǐng)域的應(yīng)用

50多年來(lái)，采用高壓高溫技術(shù)（HPHT） 制造的合成金剛石廣泛應(yīng)用于研磨應(yīng)用，充分發(fā)揮了金剛石極高硬度和極強(qiáng)耐磨性的特性。在過(guò)去20年中，基于化學(xué)氣相沉積（CVD） 的新金剛石生成方法已投入商業(yè)化應(yīng)用，這樣就使得以較低成本生成單晶和多晶金剛石。這些新合成方法支持全面開(kāi)發(fā)利用金剛石的光學(xué)、熱學(xué)、電化、化學(xué)以及電子屬性。目前金剛石已廣泛應(yīng)用于光學(xué)和半導(dǎo)體行業(yè)。本文主要討論金剛石的熱學(xué)優(yōu)勢(shì)，介紹金剛石散熱片的工作原理，簡(jiǎn)要展示金剛石生成方法， 總結(jié)金剛石的一些常見(jiàn)應(yīng)用（包括應(yīng)用方法）并以金剛石未來(lái)應(yīng)用前景作為結(jié)論。首先我們來(lái)簡(jiǎn)單介紹金剛石成為室溫下所有固體材料中最佳導(dǎo)熱體的原因及原理。

金剛石導(dǎo)熱原理
金剛石是立方晶體，由碳原子通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合形成。金剛石的許多極致屬性都是形成剛性結(jié)構(gòu)的sp3 共價(jià)鍵強(qiáng)度和少量碳原子作用下的直接結(jié)果。
金 屬通過(guò)自由電子傳導(dǎo)熱量，其高熱傳導(dǎo)性與高導(dǎo)電性相關(guān)聯(lián)，相比之下，金剛石中的熱量傳導(dǎo)僅由晶格振動(dòng)（即聲子）完成。金剛石原子之間極強(qiáng)的共價(jià)鍵使剛性晶 格具有高振動(dòng)頻率，因此其德拜特征溫度高達(dá)2，220°K。由于大部分應(yīng)用遠(yuǎn)低于德拜溫度，聲子散射較小，因此以聲子為媒介的熱傳導(dǎo)阻力極小。但任何晶格 缺陷都會(huì)產(chǎn)生聲子散射，從而降低熱傳導(dǎo)性，這是所有晶體材料的固有特征。金剛石中的缺陷通常包括較重的?3C同位素、氮雜質(zhì)和空缺等點(diǎn)缺陷，堆垛層錯(cuò)和位 錯(cuò)等擴(kuò)展缺陷以及晶界等2D缺陷。

作為專(zhuān)門(mén)進(jìn)行熱管理的元件，天然金剛石應(yīng)用在一些早期微波和激光二極管器件中。但適用天然金剛石板的可用性、尺寸及成本限制了金剛石的市場(chǎng)應(yīng) 用。隨著熱學(xué)屬性與IIa型天然金剛石相類(lèi)似的微波輔助型CVD 多晶金剛石的出現(xiàn)，可用性問(wèn)題得到了解決。目前，許多供應(yīng)商提供一系列現(xiàn)成的熱學(xué)等級(jí)的金剛石。由于獨(dú)立式多晶金剛石采用直徑達(dá)140 mm 的大型晶片生成，因此尺寸不再局限為單個(gè)器件或小型陣列，陣列尺寸可擴(kuò)展至幾厘米?；谝陨显?，CVD 金剛石的實(shí)用性得到驗(yàn)證，自20世紀(jì)90年代以來(lái)已被廣泛應(yīng)用于各種器件之中。

二

金剛石散熱片生產(chǎn)法及在微波領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著大尺寸、高質(zhì)量以及大范圍、高靈活度的金剛石沉積技術(shù)的逐步開(kāi)發(fā)， 有望使大規(guī)模集成電路和高速集成電路的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代。與此同時(shí)， 金剛石制備技術(shù)的發(fā)展也推動(dòng)了金剛石光學(xué)及光電子學(xué)的快速進(jìn)步， 實(shí)現(xiàn)了光電子器件的尺寸大幅降低。高精度金剛石棱鏡、金剛石圖形化電極以及金剛石聲表面波器件的應(yīng)用都將推動(dòng)光學(xué)、電學(xué)和聲學(xué)領(lǐng)域技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

金剛石相比于其他材料具有諸多極其優(yōu)異的物理化學(xué)性能指標(biāo)， 如極佳的機(jī)械性能、熱學(xué)性能、透光性、半導(dǎo)體性能及化學(xué)惰性， 是一種全方位的不可替代的特殊多功能材料。這些特性在很多情況下都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他材料。氧化鎵、金剛石是第四代半導(dǎo)體材料。其中，氧化鎵是一種無(wú)機(jī)化合物，也是超寬禁帶半導(dǎo)體材料，氧化鎵超寬禁帶半導(dǎo)體材料制造的功率器件，更耐熱、更高效、成本更低、應(yīng)用范圍更廣，有望替代碳化硅和氮化鎵成為新一代半導(dǎo)體材料。而金剛石是最有應(yīng)用前景的新一代半導(dǎo)體材料之一。其熱導(dǎo)率和體材料遷移率在自然界中最高，在制作功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。目前，全球都在加緊金剛石在半導(dǎo)體領(lǐng)域的研制工作。其中，日本已成功研發(fā)超高純2英寸金剛石晶圓量產(chǎn)方法，其存儲(chǔ)能力相當(dāng)于10億張藍(lán)光光盤(pán)。隨著我國(guó)加快推動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)突破，功能金剛石材料將由實(shí)驗(yàn)室階段向商業(yè)化轉(zhuǎn)變。

人造金剛石不僅僅是培育鉆石，有望切入下一代半導(dǎo)體材料領(lǐng)域。目前，中兵紅箭、黃河旋風(fēng)、力量鉆石、豫金剛石供應(yīng)我國(guó)超73%高溫高壓法工業(yè)金剛石，前三家供應(yīng)約65%份額。綜合考慮擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃，預(yù)計(jì)行業(yè)總產(chǎn)值至2025年達(dá)103億元，復(fù)合增速23%。因擴(kuò)產(chǎn)速度有限，擴(kuò)產(chǎn)受限+產(chǎn)能擠壓+需求增加，現(xiàn)有市場(chǎng)供不應(yīng)求可能導(dǎo)致價(jià)格進(jìn)一步上漲，工業(yè)金剛石未來(lái)盈利能力有望進(jìn)一步提升。