芯片三維集成的“風口”之下，金剛石憑啥備受（shòu）矚目（mù）？

       12月5-7日，由DT新材料主辦的第（dì）八屆國際（jì）碳（tàn）材（cái）料（liào）大會暨產業展覽會（Carbontech 2024）將在上海新國際博覽中心隆重舉辦。同期針對半導體與加工主題特（tè）設4大論壇，寬（kuān）禁帶半導（dǎo）體及創新（xīn）應（yīng）用論壇（tán）、超硬材料與超精密加工論（lùn）壇、金剛石前沿應用與產業發展論壇、培育鑽石論壇（tán），已邀請國內外知名（míng）專家和企業蒞臨交流，歡迎報名。

       隨著第三代半導體的發展，電子器件向著高功率、小型化、集成化方向發展，器件的（de）散熱問題已經（jīng）成為關鍵，傳統散熱技術已難（nán）以滿足第三代半導（dǎo）體器件（jiàn）高熱流的散熱要求，由此帶來（lái）的溫度堆積問題成為產業亟待解決的問題。

       據國際半導體技術藍圖（ITRS）相關預測，到2020年，集成電（diàn）路功率密（mì）度將增（zēng）加至100W/cm2，而實際情（qíng）況已大大超出預期，電子芯片的熱流（liú）密度已超500W/cm2，熱點處更是高達1000W/cm2。由於傳（chuán）統散熱材料/器件散熱能力的不足，第三代半導（dǎo）體器件隻（zhī）能發揮其理論性能的20%-30%。

       金剛石基材料被稱為“**”散熱材料，是大功率（lǜ）電子器件、半（bàn）導體芯片、5G 通信、T/R 組件等器件的關鍵散熱材料。從上圖可以（yǐ）看出，金（jīn）剛石的熱導率*高，同（tóng）時遷移率和擊穿電場也高，因此（cǐ）也可以作為熱沉材（cái）料（liào）。   

       製備方法

       製備方法有化學氣相沉積（CVD）方法和高溫高壓（yā）HTHP法。

       優缺點：高溫高壓（yā）（HTHP）法合成的金剛石晶粒尺寸較小（xiǎo），限製了其在大麵積散熱領域的應用；而 CVD 法能夠合成尺寸較大的金剛（gāng）石散熱片，主要是CVD法。

       CVD法：包括熱絲（sī）化學氣相沉積法、直流等離子體噴射化學氣相沉積法和微（wēi）波等離子體化（huà）學氣相沉積法（fǎ）(MPCVD)。其中微波等離子體化（huà）學氣相沉積法，具有微波能量無汙染和氣體原料純淨等優勢，在眾多金剛石製備方法（fǎ）中脫穎而出，成為製備大尺寸和高品質多晶金剛石*有發展前景的技（jì）術。   

       金剛石散熱應用

       金剛（gāng）石與半導體器件的應用，一是采用直接沉（chén）積，二是采（cǎi）用鍵合的方法。直接沉積，由於存（cún）在晶格（gé）失配嚴重，沉積較為（wéi）困難，有采用MBE或者MOCVD來進行沉積。如下圖，在GaN背麵沉積（jī）外延層25um的（de）金剛石（shí）層，製（zhì）備（bèi）出高效散熱的AlGaN/GaN HEMT器件。

       GaN 背麵生長金剛（gāng）石（shí）  圖源：公開（kāi）網絡（luò）

低溫鍵合工藝  圖（tú）源（yuán）：公開網絡

       金（jīn）剛石作為熱沉材料，應用在半導體激光器中，通過磁控濺射係統在CVD金剛石熱沉片表麵沉積 Ti/Pt/Au多層膜，作為金屬化層。通（tōng）過電子束蒸發係統沉積10um厚的In膜，作為半導體激光器封裝焊料層。如下（xià）圖，采用高精度貼片機，以COS（chip on submount）結構將半導體激光器線陣貼片於金剛石熱沉表麵，並貼片於銅基水冷熱沉。

金剛石（shí）作為熱沉材料  圖源：公開網絡   

       發展趨勢

       金剛石基材料具有具有獨特的（de）物（wù）理和化學性質，如高熱導率（lǜ）、高磨損性、高化學穩定性，在高（gāo）功率半導體器件、光電器件、能源、航空航天具有廣泛的應用。基於此材料的高效散熱技術有望解決高熱（rè）流散熱難題，我們期待器件的散熱問（wèn）題能夠得到較好的解決，提高器件的可靠性以及穩（wěn）定性，提高國（guó）家的前沿（yán）技術競爭力以及產（chǎn）業水平。