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散热技术革新,金刚石热沉片助力半导体器件高效散热

时间:2024-06-03浏览次数:98

随着半导体器件朝着集成化和小型化方向发展,集成电路功率密度不断增加,热点处更是高达1000W/cm2,由于传统散热材料/器件散热能力的不足,热量的持续累积威胁着电子的性能、稳定性和寿命,第三代半导体器件只能发挥其理论性能的20%-30%。因此,提高电子器件的散热能力至关重要。

 

金刚石材料被称为第四代散热材料,是大功率电子器件、半导体芯片、5G 通信、T/R 组件等器件的关键散热材料。从下表可以看出,金刚石的热导率最高,同时迁移率和击穿电场也高,因此也可以作为热沉材料。

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表1 不同材料的热导率

 化合积电采用微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)制备大尺寸、高品质金刚石薄膜。微波等离子体化学气相沉积法,具有微波能量无污染和气体原料纯净等优势,是制备大尺寸和高品质多晶金刚石最有发展前景的技术。

 

金刚石与半导体器件的应用主要有两种方式:一是采用直接沉积,二是采用键合的方法。直接沉积,由于存在晶格失配严重,沉积较为困难,有采用MBE或者MOCVD来进行沉积。如在GaN背面沉积外延层25um的金刚石层,制备出高效散热的AlGaN/GaN HEMT器件。低温键合,即在室温下,使用表面活化法将硅衬底上外延生长的GaN层转移到金刚石衬底上,获得GaN on diamond异质键合结构,其界面热导已与外延生长法制备的水平相当。

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图2 GaN 背面生长金刚石

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图3 低温键合工艺

金刚石在半导体激光器作为热沉材料,通过磁控溅射系统在CVD金刚石热沉片表面沉积Ti/Pt/Au多层膜,作为金属化层。通过电子束蒸发系统沉积10um厚的In膜,作为半导体激光器封装焊料层。采用高精度贴片机,以COS(chip on submount)结构将半导体激光器线阵贴片于金刚石热沉表面,并贴片于铜基水冷热沉。

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图4 半导体激光器中金刚石作为热沉材料

随着第三代半导体的发展,电子器件向着高功率、小型化、集成化方向发展,器件的散热问题已经成为关键,传统散热技术已难以满足第三代半导体器件高热流的散热要求,由此带来的温度堆积问题成为器件失效的主要原因。金刚石热沉片具有具有独特的物理和化学性质,如高热导率、高磨损性、高化学稳定性,在高功率半导体器件、光电器件、能源、航空航天具有广泛的应用。

 

基于金刚石特性,化合积电针对半导体器件散热难题,推出金刚石散热解决方案,助力提高器件的可靠性以及稳定性,解决芯片“卡脖子”问题。其核心产品金刚石热沉片、金刚石晶圆、金刚石窗口、金刚石异质集成复合衬底,目前已应用于大功率半导体器件、无人机、航空航天、新能源汽车以及医疗器械等领域。

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