散热王者金刚石，如何助力电子工业起飞

DT半导体材料 2024-01-25 18:09

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培育钻石的火热，不仅在于珠宝行业，更多应用前景在于高精尖工业领域。金刚石作为材料之王，具备了许多优异的物理化学性能。金刚石单晶是终极半导体材料。它结合了出色的结晶度、极高的击穿电压、出色的电学性能和极高的导热系数。最突出的是其很高的热导率，在30-650℃时，金刚石是固体物质中热导率最高的晶体。

晶体热导率由热容、声子平均自由程、声子速度决定，金刚石晶格非谐振动弱，声子平均自由程长；德拜（Debye）温度高，声子速度快，因此热导率极高。在室温下，金刚石的热导率是铜的5倍，是硅的15倍，相比其他物质具有明显的优势。

图：金刚石等物质热性能

不同种类金刚石的散热方法

1、单晶超高导热金刚石材料

单晶金刚石是金刚石材料类中热导率最高的一种，这与其晶体结构密切相关，主要通过晶格振动即声子导热。单晶金刚石用作散热主要有两种方式。一种是直接用作替代外延衬底，原位生长材料制备器件，通过器件有源区与金刚石紧密接触，利用金刚石超高的热导率将热量均匀分布到衬底中。另一种是在单晶金刚石结构中加入微通道结构，利用流体将内部热量带出，达到降温的目的。

大面积单晶金刚石衬底主要为开发和产业化多种电子器件提供外延生长衬底。大功率金刚石电力电子器件：其可替代现有的Si、SiC等电力转换器件和开关电源，大幅减小转换器件尺寸，而且无需散热，实现转化效率的大幅提升和功耗的大幅下降，可靠性大幅提升。金刚石电子器件的耗能将是现在使用的器件的1/3-1/5。

超高频大功率金刚石电子器件(微波、毫米波雷达)：可用在火控武器系统、雷达、高速无线通信、火箭及航空航天等领域。可替代现在使用的行波管，使得武器系统和通信系统更加小型化和可靠性的大幅提高，大幅提高通信系统的数据传输速率，大幅降低卫星及其它航天器的重量、发射成本和抗辐照能力。

应用于集成电路芯片：开发基于金刚石的下一代集成电路芯片，彻底解决集成电路散热瓶颈问题，使得集成电路更加大规模化，更加高速化。金刚石紫外LED、LD：可使用在环保与医用杀菌，高密度数据储存等方面。DNA等生物传感器：利用金刚石与生物细胞的亲和性及其生物传感器的高灵敏性，开发各种金刚石生物传感器;同时，也可以制成生物武器探测器等。日盲紫外探测器和超快粒子辐射闪烁体探测器：应用于导弹制导与预警、深空x光通信。

2、多晶金刚石材料

目前，将金刚石作为功率器件的热沉或衬底已经研究出多种技术形式，其中主要有：基于衬底转移技术的金刚石键合，基于金刚石钝化层的低温沉积以及金刚石上的器件外延生长。现阶段，多晶金刚石与Si、GaN、Ga₂O₃等的室温键合已经通过表面活化键合（SAB）技术实现。

多晶金刚石作为大功率芯片、电子器件散热片方面具备高性能优势，未来随产量提升+成本下降有望在半导体散热片领域得到大规模应用。目前已实现4英寸电子级多晶金刚石的商业化量产，国际最大制备尺寸可达8英寸，随着MPCVD技术的改善升级有望与现存的8英寸半导体晶圆制造产线兼容，最终实现多晶金刚石热沉材料在半导体材料产业的规模化应用推广。

3、纳米金刚石材料

纳米金刚石材料用作散热一般是作为高热流密度器件钝化层，可在器件表面进行均热，为器件增加一条导热通路，提升器件表面均温性能。氢等离子体对氮化镓具有反应刻蚀作用，导致器件直接沉积金刚石的方法需要低温条件并且需要耐氢设计。在耐氢保护层表面，金刚石需要均匀高密度形核，同时需要高定向排列，以提升金刚石钝化层整体导热能力。

哈尔滨工业大学与中国电子科技集团有限公司55所合作，研制纳米金刚石钝化GaN器件，在600℃制备晶粒尺寸可控纳米金刚石钝化层，实现高导热金刚石层对器件表面的全覆盖，但仍存在纳米金刚石热导率相比单晶热导率较差，散热效果有限的问题，仍有进一步探索的空间。

助力电子工业散热突破

金刚石被认为是一种能够满足飞速发展的电子工业的理想热管理材料。1963年12月6日，我国第一颗人造金刚石研制成功，六十年以来，国内人造金刚石的产量逐年增加，小到家庭，大到微电子及航空航天等高科技领域，应用十分广泛。如今，单晶金刚石晶圆已成为人工智能、云计算芯片、电动汽车电力电子和无线通信芯片的终极新技术组件。

金刚石典型的热管理应用场景包括：金刚石增强金属封装材料（Diamond/Cu、Diamond/Al）、热沉片、金刚石衬底GaN器件等。金刚石基热沉应用于激光器的散热系统，可以实现高效的热量传输和散热，降低激光器的工作温度，提高激光器的稳定性和寿命。

金刚石作为半导体器件封装材料，具有电子封装所必需的优质性能，如高的热导率、低介电常数、高电阻和高击穿场强等。将金刚石薄膜直接沉积在具有高热导率的金属材料、复合材料或者单晶硅衬底上，或者直接将它制成无需支撑的金刚石薄膜片，再把它粘结到所需的电子封装上，CVD金刚石薄膜在封装领域的应用中展示出很好的前景。

小型化轻量化的电子器件发展需求引领着散热材料和散热方案的改变，轻质高热导率成为散热材料的发展目标，金刚石已成为最优选择之一。针对半导体行业的需求，金刚石生长的“大、纯、快”是目前遇到的难点，超高导热金刚石材料虽然提升了散热效果，但实际应用中仍存在诸多难题，例如单晶外延GaN材料仍无法大面积实现，大尺寸多晶金刚石的键合及纳米金刚石钝化在器件中的性能受界面热阻的影响较大。如果解决了制备大尺寸单晶晶圆，高纯电子级金刚石的可控生长等难点，那么金刚石产业发展将会掀开新的篇章。

来源：粉体网