芯片三維集成的（de）“風口”之下，金剛石憑啥備（bèi）受矚目？

       12月5-7日，由DT新材料主辦的第八屆國際碳材料（liào）大會暨產業展覽會（Carbontech 2024）將（jiāng）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設4大論壇，寬禁帶半導體及創新應用論壇（tán）、超硬材料與超精密加工論壇、金剛石前沿應用與產業發展論壇、培育鑽石論壇，已邀請國內外知名專家和企業蒞臨交流（liú），歡迎（yíng）報名。

       隨著第三代半導體（tǐ）的發展，電（diàn）子器件向著高功率、小型（xíng）化、集成（chéng）化方向發展，器件的（de）散熱問題已經成為關鍵，傳統散熱技術已難以滿足第三代半（bàn）導體器件高熱流的散熱（rè）要求，由此帶來的溫度堆（duī）積問題成為產業亟待解決的問題。

       據國際半導體技術藍圖（tú）（ITRS）相關預測，到2020年，集成（chéng）電路功率密度將增加至100W/cm2，而（ér）實際情況已大大超出預期，電子芯片的熱流密度已超（chāo）500W/cm2，熱（rè）點處更是高達（dá）1000W/cm2。由於傳統散熱材料/器（qì）件散熱能力的不足，第三代半導體（tǐ）器件隻能發揮其理論性能的20%-30%。

       金剛石基材料被（bèi）稱為（wéi）“**”散熱材料，是大功率電子器（qì）件、半導體芯片、5G 通信、T/R 組（zǔ）件等器件的關鍵散熱材料。從上圖可（kě）以看出，金剛石的熱導（dǎo）率*高，同時遷移（yí）率和擊穿（chuān）電場也高，因此也（yě）可（kě）以作為熱沉材料。   

       製備方法

       製備方法有化學氣相沉積（CVD）方法和高溫高壓HTHP法。

       優缺（quē）點（diǎn）：高溫高壓（HTHP）法合成（chéng）的金剛石晶粒尺寸較小，限製了其在大麵積散熱領域的應用；而（ér） CVD 法能夠合成尺寸較（jiào）大的金剛石散熱片，主（zhǔ）要是CVD法。

       CVD法：包括熱絲化學氣相沉積法、直流等離子體噴射化學氣相沉積法和微波等離子體化學氣相沉積法(MPCVD)。其中（zhōng）微波等（děng）離子（zǐ）體化學氣相沉積法，具有微波能（néng）量無汙染和氣體原料純淨等優（yōu）勢（shì），在眾多（duō）金剛石（shí）製（zhì）備方法中（zhōng）脫穎而出，成為製備大尺寸和高品質多晶金剛石*有發展前（qián）景的技（jì）術（shù）。   

       金剛石散熱應（yīng）用

       金剛石與半導體器件的應用，一是采用直接（jiē）沉積，二是采用鍵合的方法。直接沉積，由於存在晶格失配嚴（yán）重，沉積較為困難，有采（cǎi）用MBE或者MOCVD來進行沉積。如下圖，在GaN背麵沉積外延層25um的金（jīn）剛石層，製備出高效散熱（rè）的AlGaN/GaN HEMT器件。

       GaN 背麵生長金剛石  圖源：公開網絡

低溫（wēn）鍵合工藝  圖源：公開網絡

       金剛石作為熱沉材料，應用在半導體激光器中，通過（guò）磁控濺射係統在CVD金剛石熱沉片（piàn）表麵沉積 Ti/Pt/Au多（duō）層膜，作為金屬化層。通過（guò）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（céng）。如下圖，采用高精度貼片機，以COS（chip on submount）結（jié）構將半（bàn）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。

金剛石作為熱沉材料  圖源：公開網絡   

       發展趨勢

       金剛（gāng）石基材料具有具有獨特的物理和化學性質，如高熱導率（lǜ）、高（gāo）磨損性、高化學穩定性，在高功率半導體器件、光電器件、能源、航空航天具有廣泛的應用。基於此材料（liào）的高效散熱（rè）技術有望解決高熱（rè）流散熱難題，我們期待器件的散熱問題能（néng）夠得到較好的解決，提高器件（jiàn）的（de）可靠性以及穩定性，提高國家的前沿技術競爭力以（yǐ）及產業水平（píng）。