高功率半導(dǎo)體熱沉材料步入“鉆銅”時(shí)代

金剛石/銅（Dia/Cu），又名“鉆銅”，是一種金剛石和銅的復(fù)合材料（見圖1）。通常采用壓力浸滲工藝或粉末冶金工藝制備。新1代半導(dǎo)體材料的發(fā)展水平直接決定和影響了金剛石/銅熱沉材料的誕生和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。隨著砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）等第2代、第3代高功率半導(dǎo)體芯片、器件的散熱需求增加，金剛石/銅熱沉材料研發(fā)和生產(chǎn)得到重視和發(fā)展。它具有熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)低的特點(diǎn)。作為新1代電子封裝材料，金剛石/銅通常被制作成熱沉襯底，用于解決高功率半導(dǎo)體芯片或器件的散熱難題，具有廣闊的市場空間。“鉆銅”的誕生和成長，與半導(dǎo)體材料和封裝材料的發(fā)展進(jìn)程密切相關(guān)。

一、半導(dǎo)體材料的發(fā)展

半導(dǎo)體材料發(fā)展經(jīng)歷了3代。以第1代半導(dǎo)體材料硅（Si）為襯底制作的芯片，遍布生活中的電子電器、通訊設(shè)備，95%以上的半導(dǎo)體器件采用Si做襯底。第2代半導(dǎo)體材料以GaAs、磷化銦（InP）為代表，伴隨著光纖通訊、移動(dòng)互聯(lián)的高速發(fā)展而出現(xiàn)和壯大，它適用于制作高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件。第3代半導(dǎo)體材料以GaN、SiC等為代表，近年來引起廣泛的研究。它的禁帶寬度更大，熱導(dǎo)率、擊穿電場、電子飽和速率都更高，在固態(tài)光源、微波射頻器件等領(lǐng)域有著極其大的應(yīng)用前景。其中，第2代、第3代半導(dǎo)體功率器件對(duì)芯片的散熱提出了很高要求，使熱沉材料的發(fā)展得以與半導(dǎo)體材料的發(fā)展保持同步（見表1）。

二、用于芯片熱沉的電子封裝材料

半導(dǎo)體材料通常具有較低的熱膨脹系數(shù)，功率半導(dǎo)體芯片在工作時(shí)會(huì)有高的熱量散出。且隨著第2代半導(dǎo)體材料的成熟應(yīng)用以及第3代的開發(fā)，未來芯片功率提高會(huì)對(duì)散熱提出更加迫切的需求。因此，電子封裝熱沉材料得到廣泛研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

熱沉材料，由于要與芯片緊密貼裝，需要考慮2大基本性能要求：高的熱導(dǎo)率（thermal conductivity，TC）和匹配的熱膨脹系數(shù)（coefficient of thermal expansion，CTE）。通過高熱導(dǎo)率實(shí)現(xiàn)快速散熱，保證芯片在適宜的溫度下正常工作；通過匹配的熱膨脹系數(shù)，減小熱沉、芯片以及各封裝材料之間的熱應(yīng)力，避免開裂脫離等導(dǎo)致芯片過燒的情況發(fā)生。熱沉材料的升級(jí)和發(fā)展，實(shí)質(zhì)是熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)不斷優(yōu)化的過程。用于芯片熱沉的電子封裝材料主要有金屬型、陶瓷型2大類。

1.金屬類封裝材料

金屬類封裝材料發(fā)展經(jīng)歷了4代。第1代是以Invar和Kovar合金為代表的低膨脹系數(shù)合金，合金熱導(dǎo)率只有11～17W / （ m·K ）。第2代是銅-鎢（Cu-W）和Cu-鉬（Mo）材料為代表的復(fù)合材料，達(dá)到約200W/（m·K），熱膨脹系數(shù)約7.0×10-6/K，表現(xiàn)出較好的綜合性能，是功率芯片封裝的主選材料，但其較高的密度限制了其在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。第3代是以鋁（Al）/Sip、Al/SiCp為代表的輕質(zhì)、低膨脹復(fù)合材料，Al/Sip材料熱導(dǎo)率只有約120～150W/（m·K），雖然熱導(dǎo)率低、但可加工性、氣密性、焊接性等綜合性能好，而被大量用于制作射頻功率器件封裝殼體，而Al/SiCp材料熱導(dǎo)率能達(dá)到220W/（m·K），同時(shí)密度控制在約3.0g/cm3，雖然加工難度大、但良好的熱導(dǎo)率也使其作為殼體材料或芯片熱沉材料而被廣泛使用。第4代是Dia/Cu、金剛石/鋁（Dia/Al）等為代表的高導(dǎo)熱、低膨脹復(fù)合材料，通過設(shè)計(jì)使其具有6×10-6～7×10-6/K的熱膨脹系數(shù)，具有550～650W/（m·K）的熱導(dǎo)率，可用于第2代、第3代半導(dǎo)體芯片器件上，用于高功率器件的熱沉封裝，幫助器件解決散熱難題，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。金屬類電子封裝材料的性能對(duì)比詳見表2。

2.陶瓷類封裝材料

陶瓷類封裝材料以氮化鋁（AlN）、氧化鈹（BeO）等為代表被廣泛應(yīng)用。該類材料由于其陶瓷的特性，天然具有較低熱膨脹系數(shù)，與半導(dǎo)體材料有很好的熱匹配。但由于其分子間以共價(jià)鍵連接，通常熱導(dǎo)率較低，限制了其在高導(dǎo)熱芯片上的應(yīng)用。

AlN材料是一種很好的高功率集成電路基片和包裝材料，被廣泛應(yīng)用于芯片封裝。AlN熱導(dǎo)率約180W/（m·K），接近BeO和SiC，熱膨脹系數(shù)4.5×10-6℃與Si（3.5×10-6～4×10-6/℃）和GaAs（6.0×10-6/℃）匹配，介電性能優(yōu)良，機(jī)械性能和光傳輸特性好。BeO具有高的熱導(dǎo)率、較低的熱膨脹系數(shù)，受電子封裝企業(yè)青睞，但是鈹（Be）元素有毒性，BeO的制作過程和使用存在著很大的污染因素，因而許多設(shè)計(jì)者在選擇高導(dǎo)熱材料時(shí)，會(huì)避開BeO。SiC晶體具有更高的熱導(dǎo)率和更低的熱膨脹系數(shù)，但其造價(jià)高昂，單晶SiC通常作為半導(dǎo)體材料被研發(fā)以實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)效益。CVD-Diamond是采用化學(xué)氣相沉積工藝制備的金剛石薄膜，雖然歸在陶瓷類材料，但金剛石具有極高的熱導(dǎo)率和強(qiáng)度，以薄膜的形式作為芯片熱沉具有十分優(yōu)異的散熱性能，但造價(jià)成本極其高昂。陶瓷類電子封裝材料的性能對(duì)比詳見表3。

三.金剛石/銅的發(fā)展和應(yīng)用

1.Dia/Cu應(yīng)用的必然性

第2代、第3代芯片功率提高必然產(chǎn)生大量熱。芯片需要熱導(dǎo)率高，線膨脹系數(shù)匹配的材料來封裝。

金屬Cu、Al具有高的熱導(dǎo)率但其膨脹系數(shù)不匹配（17ppm/K、23ppm/K），若直接和芯片貼裝，會(huì)因?yàn)闊釕?yīng)力而脫離，進(jìn)而引起芯片過燒。當(dāng)高熱導(dǎo)金屬添加過量元素以期降低線膨脹系數(shù)時(shí)（Invar、Kovar），大量固溶元素影響材料晶格參數(shù)，降低聲子傳熱性能，必然導(dǎo)致熱導(dǎo)率急劇下降。WCu、Mo-Cu以兩相復(fù)合材料的形式出現(xiàn)是一個(gè)跨越，但其熱導(dǎo)率徘徊在 200W/（m·K）。不足以滿足日益增長的功率散熱需求。

陶瓷類具有較低的熱膨脹系數(shù)，但其熱導(dǎo)率通常不高。單獨(dú)使用無法滿足散熱的需求，熱導(dǎo)率通常也局限在220W/（m·K）以下。雖然金剛石有極高的熱導(dǎo)率﹝（1 000～2 000W/（m·K）﹞，但應(yīng)用于電子封裝的CVDDiamond金剛石薄膜材料的制備成本極其昂貴，其產(chǎn)業(yè)化之路將會(huì)更加遙遠(yuǎn)。

如何把金屬的高熱導(dǎo)率和陶瓷的低熱膨脹系數(shù)結(jié)合，尋找較為經(jīng)濟(jì)的中間材料，是金剛石/銅被提出和研發(fā)的原因和動(dòng)力。金剛石導(dǎo)熱率高達(dá)2 000W/（m·K），熱膨脹系數(shù)低至2.3ppm/K，且目前金剛石顆粒已經(jīng)規(guī)模化生產(chǎn)，相比CVD-Diamond薄膜，顆粒狀金剛石成本極其低廉。Cu具有較高的熱導(dǎo)率，且相比銀（Ag）、金（Au）等貴金屬，熱導(dǎo)率相差不大，但價(jià)格很低。通過研究，結(jié)合二者優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)出一種金剛石/銅復(fù)合材料，可以將熱沉材料的使用提高一個(gè)臺(tái)階，以適應(yīng)芯片更高散熱需求。

2.國內(nèi)外研究概況

國內(nèi)外關(guān)于Dia/Cu復(fù)合材料的研究始于2000年前后。美國率先開發(fā)它作為多芯片模塊（MCM）的基板使用，熱導(dǎo)率達(dá)420W/（m·K），CTE為（5.48～6.5）×10-6/℃；2002年日本開發(fā)成功，作為電子器件的熱沉材料，熱導(dǎo)率550W/（m·K），CTE為6×10-6/℃；2007年瑞士采用氣壓熔滲法制備了金剛石/銅，熱導(dǎo)率600W/（m·K）；2008年德國采用粉末冶金法制備了金剛石體積分?jǐn)?shù)為50%的金剛石/銅復(fù)合材料，熱導(dǎo)率642W/（m·K）；2007年，國內(nèi)北京有色金屬研究總院、北京科技大學(xué)、湖南大學(xué)等對(duì)金剛石/銅復(fù)合材料開始研究，熱導(dǎo)率550～650W/（m·K），CTE為6×10-6/℃。

美國和日本在研究成熟后，率先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器、射頻功率器件等。國內(nèi)，隨著第2代、第3代半導(dǎo)體材料的發(fā)展，高功率芯片日益增多，對(duì)金剛石/銅熱沉的需求量也呈現(xiàn)逐年增長態(tài)勢。

3.Dia/Cu的應(yīng)用

目前，市場上出現(xiàn)的Dia/Cu，熱導(dǎo)率550～650W/（m～K）之間，熱膨脹系數(shù)在5～7×10-6/℃之間。該材料目前應(yīng)用集中在3個(gè)領(lǐng)域：半導(dǎo)體激光器、微波功率器件、高功率半導(dǎo)體照明。半導(dǎo)體激光器的芯片是以GaAs、GaN等材料為襯底，熱膨脹系數(shù)為5～6ppm/℃。功率芯片需要一種熱導(dǎo)率高、熱膨脹系匹配的熱沉材料配合使用。功率半導(dǎo)體激光器芯片本身體積小、厚度薄（0.1mm），在使用過程中會(huì)散發(fā)熱量大。熱沉和芯片熱膨脹系數(shù)匹配，可以減小使用過程中冷熱交替時(shí)產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而減小芯片熱沉脫離失效的幾率。目前在激光器上使用的熱沉材料有AlN、Al2O3、Cu-W、Cu-Mo、Diomond/Cu等。以垂直堆棧半導(dǎo)體激光器為例，目前采用的W-Cu、Mo-Cu熱沉片熱導(dǎo)率為200W（m～K）左右，滿足單巴50W的要求。美國某公司采用Diamond/Cu復(fù)合材料作為熱沉，熱導(dǎo)率為500～650W/（m·K），能夠?qū)崿F(xiàn)單巴100W，而金剛石/銅熱沉與芯片貼裝的面積僅為15mm2。

微波功率放大器廣泛應(yīng)用在衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、導(dǎo)航、電子對(duì)抗、雷達(dá)系統(tǒng)等各種電子裝備中，是通信和雷達(dá)系統(tǒng)等的重要組成部分。半導(dǎo)體器件是微波功率器件的核心部件，其芯片的散熱管理影響到功率的發(fā)揮、器件穩(wěn)定性和可靠性。目前，W-Cu、Mo-Cu主要擔(dān)當(dāng)熱沉材料解決熱傳輸?shù)膯栴}，隨著器件向高功率發(fā)展，對(duì)熱沉提出更高要求。金剛石/銅熱沉材料有著W-Cu、Mo-Cu 2～3倍的熱導(dǎo)率，將在提高半導(dǎo)體器件向高功率發(fā)展方面起著重要的作用。

目前大功率LED的解決方案有2個(gè)：一是通過增加單位面積內(nèi)燈珠數(shù)量提高功率密度實(shí)現(xiàn)，二是通過增加單珠LED的功率實(shí)現(xiàn)。目前市場上多采用第1種方案，即提高單位面積燈珠數(shù)量來實(shí)現(xiàn)。通常熱沉采用的是價(jià)格低廉的鋁基襯板。而金剛石/銅針對(duì)的是第2種應(yīng)用方案，即通過提高單珠功率實(shí)現(xiàn)。這對(duì)散熱提出較高的要求。采用Dia/Cu襯底制備LED在技術(shù)上可以實(shí)現(xiàn)，但由于目前成本偏高，全面推廣還需時(shí)日。

4.“鉆銅”未來之路

在目前大部分熱沉材料及熱管理方案無法滿足高功率芯片散熱需求的情況下，Dia/Cu是最佳選擇。但由于產(chǎn)業(yè)化水平低，市場處于萌芽階段，產(chǎn)品成本相對(duì)較高，金剛石/銅系列產(chǎn)品還需要從以下3個(gè)方面改進(jìn)和完善。

①優(yōu)化工藝，提高熱導(dǎo)率。通過優(yōu)化基體成分，調(diào)整金剛石和銅的配比、粒度大小，減少金剛石和銅的界面熱阻，實(shí)現(xiàn)材料整體熱導(dǎo)率的提高。

②提升Dia/Cu熱沉襯底表面質(zhì)量。芯片封裝對(duì)熱沉襯底提出重要的指標(biāo)是表面粗糙度和平面度。改進(jìn)加工工藝，提高表面及邊角質(zhì)量，對(duì)加工提出了高的要求。

③優(yōu)化鍍金工藝。研究鍍覆工藝，解決好鍍層與金剛石/銅的結(jié)合力，通過高低溫循環(huán)測試，提高金剛石/銅熱沉材料在使用中的穩(wěn)定性。

目前，國內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)在以上方面積累了大量經(jīng)驗(yàn)。金剛石/銅產(chǎn)品逐漸走向成熟。隨著第3代半導(dǎo)體材料的興起，金剛石/銅材料將有一個(gè)跨越式的發(fā)展，在半導(dǎo)體激光器、功放器件、LED等領(lǐng)域的應(yīng)用取得突破。