第三代半导体(如GaN和SiC)的发展推动了功率器件不断向大功率、小型化、集成化和多功能方向前进。随着集成度的提高和体积的缩小,单位体积内的功耗不断增加,导致热量增加和温度急剧上升。因此,散热已成为阻碍大功率电子器件发展的瓶颈问题。
在大功率元件和系统的散热基板方面,需要与之配套的热管理材料具备导热性能、与半导体芯片材料(Si或GaAs)相匹配的热膨胀系数、足够的刚度和强度,以及更低的成本。
金刚石是自然界中热导率最高的材料之一,热导率在1000到2200 W/(m.K)之间,是其它陶瓷基板材料的几十甚至上百倍,具有优良的热学、光学、半导体特性,金刚石的膨胀系数也相对较低,大约是1.1×10-6/℃,作为封装材料展现出优异的性能。
早在六十年代,就已经开始尝试使用金刚石作为散热材料。金刚石是一种具有极高导热性能和硬度的材料,常被用于高功率密度、高频率电子器件的散热。金刚石用作热沉材料主要有两种形式,即金刚石薄膜和将金刚石与铜、铝等金属复合。
金刚石与铜都具有高的热导率(铜的热导率为397W/(m·K)),且晶格常数相近,但二者也存在一些问题,例如热膨胀系数相差很大,结合力不好(铜与碳相互不浸润,铜不熔于金刚石)等。在制作过程中,通过借助中间层(如Ti-Pt-Au、Ti、Mo及Ta等)解决了结合力问题。
制作金刚石封装基板的工艺流程如下:先将金刚石表面清洗干净后烘干,再在其表面先用磁控溅射镀膜一层金属钛,再镀膜一层金属铜,以保证金刚石基板与金属的结合力。然后,经过线路曝光、显影、电镀、蚀刻等步骤,形成电路图形。在此过程中,还需要克服加工过程中金刚石高硬度的负面影响,以确保保障金刚石封装基板的性能。
化合积电致力于金刚石材料生产研发,掌握成熟的大功率器件散热解决方案,并提供金属化、图形化、打孔等服务,现有核心产品晶圆级金刚石、金刚石热沉片、金刚石窗口片、金刚石异质集成复合衬底等。其中,金刚石生长面表面粗糙度 Ra < 1 nm,金刚石热沉片热导率1000-2000W/(m.K),在大功率激光器、LED、新能源汽车IGBT、医疗器械等领域均有应用。