金剛石散熱片的生成方法及在微波射頻領(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。

圖1. 獨(dú)立式CVD 金剛石晶片

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（圖1）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（圖1）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。

圖2. 通過(guò)IIa 型天然金剛石激光閃光法所測(cè)的層面間熱導(dǎo)率與溫度對(duì)比

如圖2所示，TM200（TM 表示熱，200 表示熱導(dǎo)率>2,000 Wm¯?K¯?）室溫下熱導(dǎo)率為2,200 Wm¯?K¯?，超過(guò)銅熱導(dǎo)率5 倍（參見(jiàn)表1）。元素六提供一系列產(chǎn)品，因此可根據(jù)技術(shù)要求和預(yù)算訂制熱傳導(dǎo)能力及成本。由于室溫下熱導(dǎo)率>1,000 Wm¯? K¯?，TM100超過(guò)氮化鋁等陶瓷材料4到6倍。

高級(jí)產(chǎn)品在低于室溫條件下的熱性能更具優(yōu)勢(shì)，溫度低至100°K時(shí)熱導(dǎo)率顯著提高。圖2中TM180 和TM200 等級(jí)顯示的性能與溫度變化趨勢(shì)與IIa 型天然金剛石類(lèi)似。

我 們采用表征技術(shù)對(duì)不同等級(jí)的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析。在研究范圍內(nèi)，TM100的傳導(dǎo)能力對(duì)溫度敏感度較低。CVD 金剛石中的晶粒尺寸隨著厚度的增加而增加，對(duì)傳導(dǎo)能力有明顯的影響。對(duì)于同等晶粒大小的CVD 金剛石，TM100 和TM180 中的點(diǎn)缺陷密度相似，但TM100 中的錯(cuò)位密度比TM180 高三個(gè)數(shù)量級(jí)。此差異在聲子散射中起主要作用，同時(shí)對(duì)傳導(dǎo)能力存在顯著影響。TM180 和TM200 中測(cè)得的錯(cuò)位密度相似，但較低溫度下傳導(dǎo)能力的微小差異可由晶粒大小以及TM200 中點(diǎn)缺陷密度比TM180 低5 倍進(jìn)行解釋。本文以下段落將探討其它生成技術(shù)，各生成技術(shù)的晶粒大小、純度以及錯(cuò)位差異顯著，因此熱性能也存在較大差異。

表1. 綠色= 顯著優(yōu)勢(shì)，黃色= 中等優(yōu)勢(shì)，紅色= 負(fù)面影響

半導(dǎo)體市場(chǎng)中電源轉(zhuǎn)換器或固態(tài)射頻功率放大器等領(lǐng)域的功率密度不斷提升，使局部熱管理負(fù)擔(dān)越來(lái)越重。CVD金剛石同時(shí)具有高熱傳導(dǎo)性及電氣絕緣等極致屬性， 是解決上述問(wèn)題的理想選擇。我們的測(cè)量結(jié)果表明，微波輔助型CVD 金剛石層面內(nèi)與層面間傳導(dǎo)能力之比低于10%，與測(cè)量不確定度相差無(wú)幾。各向同性熱屬性和電氣絕緣是許多熱學(xué)應(yīng)用中散熱片的重要屬性。這與高取向性熱解石 墨等材料形成鮮明對(duì)比，后者具有導(dǎo)電性并且熱傳導(dǎo)性為各向異性，如表2所示。

表2. 不同CVD 技術(shù)合成的多晶金剛石熱屬性比較。

金剛石生成方法

合成金剛石采用一系列不同技術(shù)制造。合成金剛石粒度、大型單晶和燒結(jié)多晶金剛石產(chǎn)品均采用高壓高溫壓制技術(shù)合成。最高純度單晶金剛石產(chǎn)品采用微波輔助型 CVD制成，但多晶CVD金剛石可采用不同技術(shù)制造，如表2所示，采用不同技術(shù)制造的金剛石屬性存在差異。一般來(lái)說(shuō)，金剛石CVD 可分為三類(lèi)：微波輔助型CVD、熱燈絲CVD和直流電弧或直流炬CVD。

在各種CVD中，相同點(diǎn)是氫氣中少量的氣相碳組分，氣體溫度超過(guò) 2,000°K 促使H2 分解為反應(yīng)性極強(qiáng)的H× 基。熱燈絲反應(yīng)器沉淀直徑通常高達(dá)300 mm，但沉淀面積、均勻性（如純度等屬性）及產(chǎn)量之間的均衡性十分關(guān)鍵，與整體性能同等重要。相純度（受sp²含量降低影響）可通過(guò)兩種方法控制：(1) 降低輸入甲烷流量和生成速度（但會(huì)增加生成時(shí)間和成本），(2) 通過(guò)提高氣體溫度提高H2 分解率。微波和直流電弧噴射反應(yīng)器更容易提高氣體溫度。采用微波輔助型CVD可實(shí)現(xiàn)最佳雜質(zhì)含量控制，因?yàn)榇朔椒o(wú)需陰極或燈絲，從而使微波輔助型CVD 金剛石純度、光傳輸性能和熱導(dǎo)率達(dá)到最大值。

CVD 金剛石散熱應(yīng)用

在熱系統(tǒng)中集成CVD 金剛石時(shí)需要考慮的因素

要將熱管理元件成功集成到器件中，必須考慮完整的熱傳導(dǎo)路徑以及電氣要求和熱機(jī)械應(yīng)力。雖然CVD 金剛石剛度極高并且熱膨脹系數(shù)較?。s為1 ppm/K），是高功率傳輸窗口應(yīng)用的理想選擇，但因其與Si (2.6 ppm/K)、GaAs (5.7 ppm/K) 和GaN (3.2 – 5.6 ppm/K) 等常用半導(dǎo)體材料存在明顯差異，這給熱力設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)較大挑戰(zhàn)。除非在設(shè)計(jì)開(kāi)始時(shí)即加以考慮，否則熱循環(huán)產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)對(duì)器件壽命和可靠性產(chǎn)生不利影響。 控制這些應(yīng)力的兩種方法分別為復(fù)合半導(dǎo)體預(yù)裂[6] 和金剛石夾層；在金剛石夾層中，上層用于平衡應(yīng)力。將金剛石集成到器件封裝中時(shí)，理想幾何結(jié)構(gòu)取決于功率密度、冷卻通道位置等諸多因素，但模型設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單。

圖.3. 金屬化CVD 金剛石散熱片

CVD 金剛石可通過(guò)以下三種方式廣泛整合到散熱解決方案中：(i) 獨(dú)立單個(gè)金剛石單元通過(guò)金屬化和焊接進(jìn)行接合，參見(jiàn)圖3（例如采用Ti/Pt/Au 濺射沉積金屬和AuSn 共晶焊接）；(ii) 預(yù)制晶片支撐多個(gè)器件，使器件生產(chǎn)商能夠大批量處理晶片（比如金屬化和貼裝）。此類(lèi)附加步驟完成后，這些晶片可作為單個(gè)子組件的基板。(iii) 直接采用金剛石鍍膜。

激光二極管陣列

將CVD 金剛石作為激光二極管陣列與微通道冷卻銅塊之間的接口，器件溫度上升從22°C降至16°C，如圖4 所示，顯著延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命。

圖4.器件下方配備和未配備CVD 金剛石散熱片的銅微通道散熱片模型。峰值溫度上升從22°C（紅色）降至16 °C（綠色）。

激光二極管陣列（200 μm 間隔下峰值功率密度為100 W/mm²） 簡(jiǎn)易冷卻銅塊上CVD 金剛石幾何結(jié)構(gòu)的改變，表明需要300 μm 厚3 mm 寬的金剛石，而不是薄金剛石鍍膜。應(yīng)注意實(shí)驗(yàn)結(jié)果建模比較表明金屬化也是熱傳導(dǎo)路徑的重要組成部分。典型金屬化為T(mén)i/Pt/Au，總厚度約為1 µm [7]。鈦層是附著的關(guān)鍵因素，與金剛石交界處形成碳化層。金層提供低電阻連接，并作為后續(xù)焊接或引線接合的基層。鉑層作為屏障，阻止銅擴(kuò)散形成多余的金 屬間化合物。

射頻模塊

圖5. (a) 在接合到CuW 法蘭的BeO 散熱片上集成分立式射頻器件的射頻封裝模擬。

另一示例是由分立式射頻器件組成的射頻封裝，這些射頻器件連接到CuW法蘭上安裝的1 mm厚氧化鈹散熱片上。氧化鈹有毒且熱導(dǎo)率僅約為200 Wm¯?K¯?。熱學(xué)模型（圖5）表明用300 µm 厚的TM100 CVD 金剛石替代氧化鈹可使熱阻下降30%。由紅外攝像頭采集的整個(gè)封裝溫度下降測(cè)量結(jié)果顯示了整個(gè)器件和CuW 法蘭溫度下降最大值，同時(shí)也顯示了金剛石層溫度下降幾乎可忽略。目前該產(chǎn)品已大批量生產(chǎn)，借助CVD金剛石使相同結(jié)溫下輸出提高40%。

圖5. (b) 使用紅外攝像頭采集的整個(gè)封裝溫度下降測(cè)量結(jié)果。

金剛石的應(yīng)用前景

半導(dǎo)體行業(yè)采用CVD 金剛石作為散熱片尚處于起步階段。光電、功率和射頻器件對(duì)卓越熱管理解決方案的需求日益增長(zhǎng)，在未來(lái)十年內(nèi)將推動(dòng)該工程材料的廣泛采用。結(jié)合這些市場(chǎng)領(lǐng)域 的增長(zhǎng)速度，金剛石采用率的提高將推動(dòng)大量投資進(jìn)入合成金剛石制造行業(yè)，此類(lèi)投資將促進(jìn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)，使金剛石在之前無(wú)法參與競(jìng)爭(zhēng)的半導(dǎo)體市場(chǎng)中占據(jù)一席之 地。

在未來(lái)十年中，我們可以預(yù)計(jì)半導(dǎo)體制造商將把金剛石作為基板集成于器件中，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。例如，GaN 與金剛石結(jié)合理論上可提供120 Wcm¯²功耗，而相比之下SiC 為40 Wcm¯²。

同時(shí)我們也預(yù)計(jì)兼有高熱傳導(dǎo)性與高擊穿電壓特性的CVD金剛石將作為有源半導(dǎo)體投入應(yīng)用。最初可能主要應(yīng)用于高壓開(kāi)關(guān)領(lǐng)域，但隨著技術(shù)成熟，其他應(yīng)用也將不斷出現(xiàn)。