金剛石散熱片的生成方法及在微波射頻領域的應用

50多年來，采用高壓高溫技術(HPHT) 制造的合成金剛石廣泛應用于研磨應用，充分發(fā)揮了金剛石極高硬度和極強耐磨性的特性。在過去20年中，基于化學氣相沉積(CVD) 的新金剛石生成方法已投入商業(yè)化應用，這樣就使得以較低成本生成單晶和多晶金剛石。這些新合成方法支持全面開發(fā)利用金剛石的光學、熱學、電化、化學以及電子屬性。

目前金剛石已廣泛應用于光學和半導體行業(yè)。本文主要討論金剛石的熱學優(yōu)勢，介紹金剛石散熱片的工作原理，簡要展示金剛石生成方法， 總結金剛石的一些常見應用（包括應用方法）并以金剛石未來應用前景作為結論。首先我們來簡單介紹金剛石成為室溫下所有固體材料中最佳導熱體的原因及原理。

金剛石導熱原理

金剛石是立方晶體，由碳原子通過共價鍵結合形成。金剛石的許多極致屬性都是形成剛性結構的sp³ 共價鍵強度和少量碳原子作用下的直接結果。

金 屬通過自由電子傳導熱量，其高熱傳導性與高導電性相關聯(lián)，相比之下，金剛石中的熱量傳導僅由晶格振動（即聲子）完成。金剛石原子之間極強的共價鍵使剛性晶 格具有高振動頻率，因此其德拜特征溫度高達2,220°K。由于大部分應用遠低于德拜溫度，聲子散射較小，因此以聲子為媒介的熱傳導阻力極小。但任何晶格 缺陷都會產生聲子散射，從而降低熱傳導性，這是所有晶體材料的固有特征。金剛石中的缺陷通常包括較重的?³C同位素、氮雜質和空缺等點缺陷，堆垛層錯和位 錯等擴展缺陷以及晶界等2D缺陷。

圖1. 獨立式CVD 金剛石晶片

作為專門進行熱管理的元件，天然金剛石應用在一些早期微波和激光二極管器件中。但適用天然金剛石板的可用性、尺寸及成本限制了金剛石的市場應 用。隨著熱學屬性與IIa型天然金剛石（圖1）相類似的微波輔助型CVD 多晶金剛石的出現(xiàn)，可用性問題得到了解決。目前，許多供應商提供一系列現(xiàn)成的熱學等級的金剛石。由于獨立式多晶金剛石采用直徑達140 mm 的大型晶片（圖1）生成，因此尺寸不再局限為單個器件或小型陣列，陣列尺寸可擴展至幾厘米。基于以上原因，CVD 金剛石的實用性得到驗證，自20世紀90年代以來已被廣泛應用于各種器件之中。

圖2. 通過IIa 型天然金剛石激光閃光法所測的層面間熱導率與溫度對比

如圖2所示，TM200（TM 表示熱，200 表示熱導率>2,000 Wm¯?K¯?）室溫下熱導率為2,200 Wm¯?K¯?，超過銅熱導率5 倍（參見表1）。元素六提供一系列產品，因此可根據(jù)技術要求和預算訂制熱傳導能力及成本。由于室溫下熱導率>1,000 Wm¯? K¯?，TM100超過氮化鋁等陶瓷材料4到6倍。

高級產品在低于室溫條件下的熱性能更具優(yōu)勢，溫度低至100°K時熱導率顯著提高。圖2中TM180 和TM200 等級顯示的性能與溫度變化趨勢與IIa 型天然金剛石類似。

我 們采用表征技術對不同等級的微觀結構進行了詳細分析。在研究范圍內，TM100的傳導能力對溫度敏感度較低。CVD 金剛石中的晶粒尺寸隨著厚度的增加而增加，對傳導能力有明顯的影響。對于同等晶粒大小的CVD 金剛石，TM100 和TM180 中的點缺陷密度相似，但TM100 中的錯位密度比TM180 高三個數(shù)量級。此差異在聲子散射中起主要作用，同時對傳導能力存在顯著影響。TM180 和TM200 中測得的錯位密度相似，但較低溫度下傳導能力的微小差異可由晶粒大小以及TM200 中點缺陷密度比TM180 低5 倍進行解釋。本文以下段落將探討其它生成技術，各生成技術的晶粒大小、純度以及錯位差異顯著，因此熱性能也存在較大差異。

表1. 綠色= 顯著優(yōu)勢，黃色= 中等優(yōu)勢，紅色= 負面影響

半導體市場中電源轉換器或固態(tài)射頻功率放大器等領域的功率密度不斷提升，使局部熱管理負擔越來越重。CVD金剛石同時具有高熱傳導性及電氣絕緣等極致屬性， 是解決上述問題的理想選擇。我們的測量結果表明，微波輔助型CVD 金剛石層面內與層面間傳導能力之比低于10%，與測量不確定度相差無幾。各向同性熱屬性和電氣絕緣是許多熱學應用中散熱片的重要屬性。這與高取向性熱解石 墨等材料形成鮮明對比，后者具有導電性并且熱傳導性為各向異性，如表2所示。

表2. 不同CVD 技術合成的多晶金剛石熱屬性比較。

金剛石生成方法

合成金剛石采用一系列不同技術制造。合成金剛石粒度、大型單晶和燒結多晶金剛石產品均采用高壓高溫壓制技術合成。最高純度單晶金剛石產品采用微波輔助型 CVD制成，但多晶CVD金剛石可采用不同技術制造，如表2所示，采用不同技術制造的金剛石屬性存在差異。一般來說，金剛石CVD 可分為三類：微波輔助型CVD、熱燈絲CVD和直流電弧或直流炬CVD。

在各種CVD中，相同點是氫氣中少量的氣相碳組分，氣體溫度超過 2,000°K 促使H2 分解為反應性極強的H× 基。熱燈絲反應器沉淀直徑通常高達300 mm，但沉淀面積、均勻性（如純度等屬性）及產量之間的均衡性十分關鍵，與整體性能同等重要。相純度（受sp²含量降低影響）可通過兩種方法控制：(1) 降低輸入甲烷流量和生成速度（但會增加生成時間和成本），(2) 通過提高氣體溫度提高H2 分解率。微波和直流電弧噴射反應器更容易提高氣體溫度。采用微波輔助型CVD可實現(xiàn)最佳雜質含量控制，因為此方法無需陰極或燈絲，從而使微波輔助型CVD 金剛石純度、光傳輸性能和熱導率達到最大值。

CVD 金剛石散熱應用

在熱系統(tǒng)中集成CVD 金剛石時需要考慮的因素

要將熱管理元件成功集成到器件中，必須考慮完整的熱傳導路徑以及電氣要求和熱機械應力。雖然CVD 金剛石剛度極高并且熱膨脹系數(shù)較小（約為1 ppm/K），是高功率傳輸窗口應用的理想選擇，但因其與Si (2.6 ppm/K)、GaAs (5.7 ppm/K) 和GaN (3.2 – 5.6 ppm/K) 等常用半導體材料存在明顯差異，這給熱力設計工程師帶來較大挑戰(zhàn)。除非在設計開始時即加以考慮，否則熱循環(huán)產生的應力會對器件壽命和可靠性產生不利影響。 控制這些應力的兩種方法分別為復合半導體預裂[6] 和金剛石夾層；在金剛石夾層中，上層用于平衡應力。將金剛石集成到器件封裝中時，理想幾何結構取決于功率密度、冷卻通道位置等諸多因素，但模型設計較為簡單。

圖.3. 金屬化CVD 金剛石散熱片

CVD 金剛石可通過以下三種方式廣泛整合到散熱解決方案中：(i) 獨立單個金剛石單元通過金屬化和焊接進行接合，參見圖3（例如采用Ti/Pt/Au 濺射沉積金屬和AuSn 共晶焊接）；(ii) 預制晶片支撐多個器件，使器件生產商能夠大批量處理晶片（比如金屬化和貼裝）。此類附加步驟完成后，這些晶片可作為單個子組件的基板。(iii) 直接采用金剛石鍍膜。

激光二極管陣列

將CVD 金剛石作為激光二極管陣列與微通道冷卻銅塊之間的接口，器件溫度上升從22°C降至16°C，如圖4 所示，顯著延長產品壽命。

圖4.器件下方配備和未配備CVD 金剛石散熱片的銅微通道散熱片模型。峰值溫度上升從22°C（紅色）降至16 °C（綠色）。

激光二極管陣列（200 μm 間隔下峰值功率密度為100 W/mm²） 簡易冷卻銅塊上CVD 金剛石幾何結構的改變，表明需要300 μm 厚3 mm 寬的金剛石，而不是薄金剛石鍍膜。應注意實驗結果建模比較表明金屬化也是熱傳導路徑的重要組成部分。典型金屬化為Ti/Pt/Au，總厚度約為1 µm [7]。鈦層是附著的關鍵因素，與金剛石交界處形成碳化層。金層提供低電阻連接，并作為后續(xù)焊接或引線接合的基層。鉑層作為屏障，阻止銅擴散形成多余的金 屬間化合物。

射頻模塊

圖5. (a) 在接合到CuW 法蘭的BeO 散熱片上集成分立式射頻器件的射頻封裝模擬。

另一示例是由分立式射頻器件組成的射頻封裝，這些射頻器件連接到CuW法蘭上安裝的1 mm厚氧化鈹散熱片上。氧化鈹有毒且熱導率僅約為200 Wm¯?K¯?。熱學模型（圖5）表明用300 µm 厚的TM100 CVD 金剛石替代氧化鈹可使熱阻下降30%。由紅外攝像頭采集的整個封裝溫度下降測量結果顯示了整個器件和CuW 法蘭溫度下降最大值，同時也顯示了金剛石層溫度下降幾乎可忽略。目前該產品已大批量生產，借助CVD金剛石使相同結溫下輸出提高40%。

圖5. (b) 使用紅外攝像頭采集的整個封裝溫度下降測量結果。

金剛石的應用前景

半導體行業(yè)采用CVD 金剛石作為散熱片尚處于起步階段。光電、功率和射頻器件對卓越熱管理解決方案的需求日益增長，在未來十年內將推動該工程材料的廣泛采用。結合這些市場領域 的增長速度，金剛石采用率的提高將推動大量投資進入合成金剛石制造行業(yè)，此類投資將促進規(guī)模經濟，使金剛石在之前無法參與競爭的半導體市場中占據(jù)一席之 地。

在未來十年中，我們可以預計半導體制造商將把金剛石作為基板集成于器件中，實現(xiàn)商業(yè)化。例如，GaN 與金剛石結合理論上可提供120 Wcm¯²功耗，而相比之下SiC 為40 Wcm¯²。

同時我們也預計兼有高熱傳導性與高擊穿電壓特性的CVD金剛石將作為有源半導體投入應用。最初可能主要應用于高壓開關領域，但隨著技術成熟，其他應用也將不斷出現(xiàn)。