散熱王者金剛石，如何助力電子工業起飛

DT半導體材料 2024-01-25 18:09

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培育鉆石的火熱，不僅在于珠寶行業，更多應用前景在于高精尖工業領域。金剛石作為材料之王，具備了許多優異的物理化學性能。金剛石單晶是終極半導體材料。它結合了出色的結晶度、極高的擊穿電壓、出色的電學性能和極高的導熱系數。最突出的是其很高的熱導率，在30-650℃時，金剛石是固體物質中熱導率最高的晶體。

晶體熱導率由熱容、聲子平均自由程、聲子速度決定，金剛石晶格非諧振動弱，聲子平均自由程長；德拜（Debye）溫度高，聲子速度快，因此熱導率極高。在室溫下，金剛石的熱導率是銅的5倍，是硅的15倍，相比其他物質具有明顯的優勢。

圖：金剛石等物質熱性能

不同種類金剛石的散熱方法

1、單晶超高導熱金剛石材料

單晶金剛石是金剛石材料類中熱導率最高的一種，這與其晶體結構密切相關，主要通過晶格振動即聲子導熱。單晶金剛石用作散熱主要有兩種方式。一種是直接用作替代外延襯底，原位生長材料制備器件，通過器件有源區與金剛石緊密接觸，利用金剛石超高的熱導率將熱量均勻分布到襯底中。另一種是在單晶金剛石結構中加入微通道結構，利用流體將內部熱量帶出，達到降溫的目的。

大面積單晶金剛石襯底主要為開發和產業化多種電子器件提供外延生長襯底。大功率金剛石電力電子器件：其可替代現有的Si、SiC等電力轉換器件和開關電源，大幅減小轉換器件尺寸，而且無需散熱，實現轉化效率的大幅提升和功耗的大幅下降，可靠性大幅提升。金剛石電子器件的耗能將是現在使用的器件的1/3-1/5。

超高頻大功率金剛石電子器件(微波、毫米波雷達)：可用在火控武器系統、雷達、高速無線通信、火箭及航空航天等領域。可替代現在使用的行波管，使得武器系統和通信系統更加小型化和可靠性的大幅提高，大幅提高通信系統的數據傳輸速率，大幅降低衛星及其它航天器的重量、發射成本和抗輻照能力。

應用于集成電路芯片：開發基于金剛石的下一代集成電路芯片，徹底解決集成電路散熱瓶頸問題，使得集成電路更加大規模化，更加高速化。金剛石紫外LED、LD：可使用在環保與醫用殺菌，高密度數據儲存等方面。DNA等生物傳感器：利用金剛石與生物細胞的親和性及其生物傳感器的高靈敏性，開發各種金剛石生物傳感器;同時，也可以制成生物武器探測器等。日盲紫外探測器和超快粒子輻射閃爍體探測器：應用于導彈制導與預警、深空x光通信。

2、多晶金剛石材料

目前，將金剛石作為功率器件的熱沉或襯底已經研究出多種技術形式，其中主要有：基于襯底轉移技術的金剛石鍵合，基于金剛石鈍化層的低溫沉積以及金剛石上的器件外延生長。現階段，多晶金剛石與Si、GaN、Ga₂O₃等的室溫鍵合已經通過表面活化鍵合（SAB）技術實現。

多晶金剛石作為大功率芯片、電子器件散熱片方面具備高性能優勢，未來隨產量提升+成本下降有望在半導體散熱片領域得到大規模應用。目前已實現4英寸電子級多晶金剛石的商業化量產，國際最大制備尺寸可達8英寸，隨著MPCVD技術的改善升級有望與現存的8英寸半導體晶圓制造產線兼容，最終實現多晶金剛石熱沉材料在半導體材料產業的規模化應用推廣。

3、納米金剛石材料

納米金剛石材料用作散熱一般是作為高熱流密度器件鈍化層，可在器件表面進行均熱，為器件增加一條導熱通路，提升器件表面均溫性能。氫等離子體對氮化鎵具有反應刻蝕作用，導致器件直接沉積金剛石的方法需要低溫條件并且需要耐氫設計。在耐氫保護層表面，金剛石需要均勻高密度形核，同時需要高定向排列，以提升金剛石鈍化層整體導熱能力。

哈爾濱工業大學與中國電子科技集團有限公司55所合作，研制納米金剛石鈍化GaN器件，在600℃制備晶粒尺寸可控納米金剛石鈍化層，實現高導熱金剛石層對器件表面的全覆蓋，但仍存在納米金剛石熱導率相比單晶熱導率較差，散熱效果有限的問題，仍有進一步探索的空間。

助力電子工業散熱突破

金剛石被認為是一種能夠滿足飛速發展的電子工業的理想熱管理材料。1963年12月6日，我國第一顆人造金剛石研制成功，六十年以來，國內人造金剛石的產量逐年增加，小到家庭，大到微電子及航空航天等高科技領域，應用十分廣泛。如今，單晶金剛石晶圓已成為人工智能、云計算芯片、電動汽車電力電子和無線通信芯片的終極新技術組件。

金剛石典型的熱管理應用場景包括：金剛石增強金屬封裝材料（Diamond/Cu、Diamond/Al）、熱沉片、金剛石襯底GaN器件等。金剛石基熱沉應用于激光器的散熱系統，可以實現高效的熱量傳輸和散熱，降低激光器的工作溫度，提高激光器的穩定性和壽命。

金剛石作為半導體器件封裝材料，具有電子封裝所必需的優質性能，如高的熱導率、低介電常數、高電阻和高擊穿場強等。將金剛石薄膜直接沉積在具有高熱導率的金屬材料、復合材料或者單晶硅襯底上，或者直接將它制成無需支撐的金剛石薄膜片，再把它粘結到所需的電子封裝上，CVD金剛石薄膜在封裝領域的應用中展示出很好的前景。

小型化輕量化的電子器件發展需求引領著散熱材料和散熱方案的改變，輕質高熱導率成為散熱材料的發展目標，金剛石已成為最優選擇之一。針對半導體行業的需求，金剛石生長的“大、純、快”是目前遇到的難點，超高導熱金剛石材料雖然提升了散熱效果，但實際應用中仍存在諸多難題，例如單晶外延GaN材料仍無法大面積實現，大尺寸多晶金剛石的鍵合及納米金剛石鈍化在器件中的性能受界面熱阻的影響較大。如果解決了制備大尺寸單晶晶圓，高純電子級金剛石的可控生長等難點，那么金剛石產業發展將會掀開新的篇章。

來源：粉體網