【博主簡介】本人“愛在七夕時”，系一名半導體行業(yè)質(zhì)量管理從業(yè)者，旨在業(yè)余時間不定期的分享半導體行業(yè)中的：產(chǎn)品質(zhì)量、失效分析、可靠性分析和產(chǎn)品基礎應用等相關(guān)知識。常言：真知不問出處，所分享的內(nèi)容如有雷同或是不當之處，還請大家海涵。當前在各網(wǎng)絡平臺上均以此昵稱為ID跟大家一起交流學習！

現(xiàn)代微電子技術(shù)發(fā)展迅速，電子系統(tǒng)及設備向大規(guī)模集成化、微型化、高效率、高可靠性等方向發(fā)展。電子系統(tǒng)集成度的提高將導致功率密度升高，以及電子元件和系統(tǒng)整體工作產(chǎn)生的熱量增加，因此，有效的封裝必須解決電子系統(tǒng)的散熱問題。

良好的器件散熱依賴于優(yōu)化的散熱結(jié)構(gòu)設計、封裝材料選擇（熱界面材料與散熱基板）及封裝制造工藝等。其中，基板材料的選用是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響到器件成本、性能與可靠性。一般來說，電子封裝材料的應用需要考慮兩大基本性能要求，首先是高的熱導率，實現(xiàn)熱量的快速傳遞，保證芯片可以在理想的溫度條件下穩(wěn)定工作；同時，封裝材料需要具有可調(diào)控的熱膨脹系數(shù)，從而與芯片和各級封裝材料保持匹配，降低熱應力的不良影響。而電子封裝材料的發(fā)展軌跡是對這兩項性能的不斷提高與優(yōu)化。同時基板又是裸芯片封裝中熱傳導最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，而具備超高熱導這些優(yōu)良特性的“金剛石”就應運而生了。

封裝基板材料的要求是：高電阻率、高熱導率、低介電常數(shù)、介電損耗、與硅和砷化鎵有良好的熱匹配性、表面平整度高、有良好的機械性能及易于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等。一般的封裝基板有Al2O3陶瓷、SiC陶瓷、AlN材料。但是Al2O3的熱膨脹系數(shù) (7.2×10-6/℃) 和介電常數(shù) (9.7) 相對Si單晶而言偏高, 熱導率 (15-35W/ (m·K)) 仍然不夠高, 導致Al2O3陶瓷基片并不適合在高頻、大功率、超大規(guī)模集成電路中使用；SiC陶瓷的熱導率很高,且SiC結(jié)晶的純度越高, 熱導率越大；SiC最大的缺點就是介電常數(shù)太高, 而且介電強度低, 從而限制了它的高頻應用, 只適于低密度封裝；AlN材料介電性能優(yōu)良、化學性能穩(wěn)定, 尤其是它的熱膨脹系數(shù)與硅較匹配等特點使其能夠作為很有發(fā)展前景的半導體封裝基板材料, 但熱導率目前最高也只能260W/ (m·K)，隨著半導體封裝對散熱的要求越來越高，AlN材料也有一定的發(fā)展瓶頸。

而金剛石是目前已知自然界中熱導率最高的物質(zhì)，金剛石的熱導率為2200~2600 W/(m.K)，熱膨脹系數(shù)約為1.1×10-6/℃ ，在半導體、光學等方面具備其他封裝材料所達不到的優(yōu)良特性。

化合積電致力于熱沉材料生產(chǎn)研究,掌握專業(yè)領(lǐng)先的熱管理產(chǎn)品和解決方案,可以提供COS封裝、TO封裝等?；戏e電具備成熟的產(chǎn)品體系,包括金剛石熱沉片、金剛石窗口片、金剛石晶圓、金剛石異質(zhì)集成復合襯底等，產(chǎn)品已經(jīng)應用于大功率激光器、航空航天、雷達、新能源汽車等諸多領(lǐng)域。

隨著全球汽車行業(yè)越來越多地轉(zhuǎn)向電動汽車以實現(xiàn)碳中和，開發(fā)下一代汽車半導體對于提高電動汽車的燃油效率和功耗，降低電池成本至關(guān)重要。與Si（硅）、SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）等當前主流半導體材料相比，被稱為“終極半導體材料”的金剛石具有更高的電壓操作能力和優(yōu)異的導熱性（散熱）。使用金剛石開發(fā)和大規(guī)模生產(chǎn)下一代汽車半導體有望提高電動汽車的燃油效率和功耗，并降低電池成本。

近年來，金剛石半導體作為下一代高頻高功率電子器件的一種有前途的材料受到了廣泛關(guān)注，由于具有高的光學聲子能以及最高的電子和空穴遷移率，具有高導熱性、優(yōu)異的介電擊穿場、高載流子壽命、高飽和載流子速度。然而，盡管它在功率器件方面具有令人印象深刻的性能，但由于其目前研發(fā)水平較低，運行壽命比預期的要短得多，因此仍有望有顯著的改進。

一、金剛石的簡介

金剛石是鉆石的原石，是由碳元素組成的自然元素礦物，英文名叫：Diamond，其化學式是：C。晶體多呈八面體、菱形十二面體和立方體，有時也呈聚形。多為無色透明，但若含微量元素也會呈褐、灰、白等不同色調(diào)。晶面呈金剛光澤，金剛光澤是天然無色透明礦物中最強的光澤。摩氏硬度為10，是自然界中天然存在最堅硬的物質(zhì)。相對密度3.52。性脆，抗磨性好。不導電。導熱性好，室溫下其熱導率是銅的5倍。熔點高達4000攝氏度，空氣中燃燒溫度為850-1000攝氏度。疏水而親油。

金剛石是在地球深部高溫、高壓條件下形成的，主要產(chǎn)于金伯利巖、鉀鎂煌斑巖及榴輝巖中。非洲南部、俄羅斯、澳大利亞等地是世界主要的金剛石產(chǎn)區(qū)，中國的金剛石主要產(chǎn)出于山東蒙陰、遼寧瓦房店以及湖南沅江流域。金剛石的用途十分廣泛，寶石級的金剛石可以琢磨成鉆石，金剛石的熱導率和電阻率是所有物質(zhì)中最高的，可在電子元器件材料表面沉積納米金剛石薄膜，可以縮小其散熱部位尺寸。利用金剛石優(yōu)良的紅外線穿透性可以制造衛(wèi)星和高功率激光器的紅外窗口。

1965年8月24日，地質(zhì)部809隊在蒙陰常馬莊發(fā)現(xiàn)了中國第一個具有工業(yè)價值的金剛石原生礦脈，紅旗一號金伯利巖脈。1966年，中國第一座原生金剛石礦在常馬莊籌建，這就是建材701礦。

多晶金剛石（微粉）是利用獨特的定向爆破法由石墨制得，高爆速炸藥定向爆破的沖擊波使金屬飛片加速飛行，撞擊石墨片從而導致石墨轉(zhuǎn)化為多晶金剛石。其結(jié)構(gòu)與天然的金剛石極為相似，通過不飽和鍵結(jié)合而成，具有很好的韌性。

結(jié)構(gòu)與天然的Carbonado極為相似，由球形的微晶聚集而成，微晶尺寸僅有3-10nm。優(yōu)異的磨削性能：高的去除率和韌性，具有自銳性與單晶金剛石比起來，更不容易產(chǎn)生表面劃傷更適合用來研磨表面由不同硬度材料構(gòu)成的工件。

1、物理性能

金剛石是天然礦物中的最高硬度，其脆性也相當高，用力碰撞仍會碎裂。源于古希臘語Adamant，意思是堅硬不可侵犯的物質(zhì)，是公認的寶石之王。鉆石的。也就是說，鉆石其實是一種密度相當高的碳結(jié)晶體。

2、常見外形

金剛石常見的外形有：圓形、橢圓形、欖尖形、心形、梨形、方形、三角型及祖母綠形。圓鉆，是最常見的形狀。

3、主要產(chǎn)地

鉆石的主要產(chǎn)地是澳大利亞、博茨瓦納、加拿大、津巴布韋、納米比亞、南非、巴西、西伯利亞;目前世界主要的鉆石切磨中心有：比利時安特衛(wèi)普，以色列特拉維夫，美國紐約，印度孟買，泰國曼谷。安特衛(wèi)普有"世界鉆石之都"的美譽，全世界鉆石交易有一半左右在這里完成，“安特衛(wèi)普切工”是完美切工的代名詞。

4、化學成份

鉆石的化學成分是碳，這在寶石中是唯一由單一元素組成的，屬等軸晶系。常含有0.05%-0.2%的雜質(zhì)元素，其中最重要的是N和B，他們的存在關(guān)系到鉆石的類型和性質(zhì)。晶體形態(tài)多呈八面體、菱形十二面體、四面體及它們的聚形。純凈的鉆石無色透明，由于微量元素的混入而呈現(xiàn)不同顏色。強金剛光澤。折光率2.417，色散中等，為0.044。均質(zhì)體。熱導率為0.35卡/厘米/秒/度。用熱導儀測試，反應最為靈敏。硬度為10，是目前已知最硬的礦物，絕對硬度是石英的1000倍，剛玉的150倍，怕重擊，重擊后會順其解理破碎。一組解理完全。密度3.52克/立方厘米。鉆石具有發(fā)光性，日光照射后 ，夜晚能發(fā)出淡青色磷光。X射線照射，發(fā)出天藍色熒光。鉆石的化學性質(zhì)很穩(wěn)定，在常溫下不容易溶于酸和堿，酸堿不會對其產(chǎn)生作用。

鉆石與相似寶石、合成鉆石的區(qū)別。寶石市場上常見的代用品或贗品有無色寶石、無色尖晶石、立方氧化鋯、鈦酸鍶、釔鋁榴石、釔鎵榴石、人造金紅石。合成鉆石于1955年首先由日本研制成功，但未批量生產(chǎn)。因為合成鉆石要比天然鉆石費用高，所以市場上合成鉆石很少見。鉆石以其特有的硬度、密度、色散、折光率可以與其相似的寶石區(qū)別。如：仿鉆立方氧化鋯多無色，色散強(0.060)、光澤強、密度大，為5.8克/立方厘米，手掂重感明顯。釔鋁榴石色散柔和，肉眼很難將它與鉆石區(qū)別開。

二、金剛石的特點

金剛石是一種超寬禁帶半導體材料，其禁帶寬度為5.5 eV，比GaN、SiC等寬禁帶半導體材料還要大。如下表所示，金剛石禁帶寬度是Si的5倍；載流子遷移率也是Si材料的3倍，理論上金剛石的載流子遷移率比現(xiàn)有的寬禁帶半導體材料（GaN、SiC）也要高2倍以上，同時，金剛石在室溫下有極低的本征載流子濃度。并且，除了[敏感詞]硬度以外，金剛石還具有半導體材料中[敏感詞]的熱導率， 為AlN的7.5倍，基于這些優(yōu)異的性能參數(shù)，金剛石被認為是制備下一代高功率、高頻、高溫及低功率損耗電子器件最有希望的材料，被業(yè)界譽為“[敏感詞]半導體”。

尤其是5G通訊時代迅速全面展開，金剛石單晶材料在半導體、高頻功率器件中的應用日益凸顯。金剛石單晶及制品是超精密加工、智能電網(wǎng)等國家重大戰(zhàn)略實施及智能制造、5G通訊等產(chǎn)業(yè)群升級的重要材料基礎，這一技術(shù)的突破與產(chǎn)業(yè)化對于中國智能制造、大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)自主安全具有重大意義。

三、金剛石半導體的應用與優(yōu)缺點

金剛石半導體是指將人造金剛石用作半導體材料的技術(shù)和產(chǎn)物。由于金剛石具有極高的熱導率、電絕緣性、硬度和化學穩(wěn)定性，因此金剛石半導體可以用于制造高功率、高頻率和高溫環(huán)境下工作的電子器件，例如微波器件、功率放大器和高速晶體管等。

金剛石半導體可以應用于以下方面：

1、微波器件：金剛石半導體可以制造出高功率、高頻率的微波器件，如微波放大器、混頻器、振蕩器等。

2、光電器件：金剛石半導體可以制造出高性能的光電器件，如探測器、光電二極管等。

3、高溫電子器件：金剛石半導體可以制造出在高溫環(huán)境下工作的電子器件，如燃氣輪機控制器、高溫傳感器等。

4、功率電子器件：金剛石半導體可以制造出高功率、高效率的功率電子器件，如晶閘管、IGBT、MOSFET等。

5、高速電子器件：金剛石半導體可以制造出高速電子器件，如高速晶體管、快速開關(guān)等。

6、生物傳感器：金剛石半導體可以制造出生物傳感器，用于檢測生物分子和細胞，如DNA傳感器、生物電化學傳感器等。

金剛石半導體的優(yōu)點與缺點如下：

優(yōu)點：

1、金剛石半導體具有優(yōu)異的熱導率和電絕緣性，適合制造高功率、高溫、高頻率的電子器件。

2、金剛石半導體具有極高的硬度和化學穩(wěn)定性，可以保證電子器件的耐用性和穩(wěn)定性。

3、金剛石半導體的電學特性優(yōu)異，具有高載流子遷移率和高電場飽和漂移速度，適合制造高性能的電子器件。

4、金剛石半導體可以在惡劣的工作環(huán)境下長時間工作，如高溫、高壓、高輻射等。

缺點：

1、金剛石半導體的制造成本較高，且加工技術(shù)復雜，制造周期長。

2、金剛石半導體的晶體生長技術(shù)難度大，且晶體質(zhì)量難以保證，影響器件性能。

3、金剛石半導體的尺寸較小，不利于大規(guī)模集成電路的制造。

4、金剛石半導體的電子性質(zhì)復雜，需要進一步研究和探索其機理。

四、金剛石導熱的原理及在微波領(lǐng)域的應用

50多年來，采用高壓高溫技術(shù)（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(jié)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(jié)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。

1、金剛石導熱的原理

金剛石是立方晶體，由碳原子通過共價鍵結(jié)合形成。金剛石的許多極致屬性都是形成剛性結(jié)構(gòu)的sp3 共價鍵強度和少量碳原子作用下的直接結(jié)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(guān)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(chǎn)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(zhì)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。

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（上圖所示）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（上圖所示）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?；谝陨显?，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。

2、金剛石在微波領(lǐng)域的應用

隨著大尺寸、高質(zhì)量以及大范圍、高靈活度的金剛石沉積技術(shù)的逐步開發(fā)， 有望使大規(guī)模集成電路和高速集成電路的發(fā)展進入一個新時代。與此同時， 金剛石制備技術(shù)的發(fā)展也推動了金剛石光學及光電子學的快速進步， 實現(xiàn)了光電子器件的尺寸大幅降低。高精度金剛石棱鏡、金剛石圖形化電極以及金剛石聲表面波器件的應用都將推動光學、電學和聲學領(lǐng)域技術(shù)的進一步發(fā)展。

金剛石相比于其他材料具有諸多極其優(yōu)異的物理化學性能指標， 如極佳的機械性能、熱學性能、透光性、半導體性能及化學惰性， 是一種全方位的不可替代的特殊多功能材料。這些特性在很多情況下都遠遠優(yōu)于其他材料。氧化鎵、金剛石是第四代半導體材料。其中，氧化鎵是一種無機化合物，也是超寬禁帶半導體材料，氧化鎵超寬禁帶半導體材料制造的功率器件，更耐熱、更高效、成本更低、應用范圍更廣，有望替代碳化硅和氮化鎵成為新一代半導體材料。而金剛石是最有應用前景的新一代半導體材料之一。其熱導率和體材料遷移率在自然界中最高，在制作功率半導體器件領(lǐng)域應用潛力巨大。目前，全球都在加緊金剛石在半導體領(lǐng)域的研制工作。其中，日本已成功研發(fā)超高純2英寸金剛石晶圓量產(chǎn)方法，其存儲能力相當于10億張藍光光盤。隨著我國加快推動關(guān)鍵技術(shù)突破，功能金剛石材料將由實驗室階段向商業(yè)化轉(zhuǎn)變。

人造金剛石不僅僅是培育鉆石，有望切入下一代半導體材料領(lǐng)域。目前，中兵紅箭、黃河旋風、力量鉆石、豫金剛石供應我國超73%高溫高壓法工業(yè)金剛石，前三家供應約65%份額。綜合考慮擴產(chǎn)計劃，預計行業(yè)總產(chǎn)值至2025年達103億元，復合增速23%。因擴產(chǎn)速度有限，擴產(chǎn)受限+產(chǎn)能擠壓+需求增加，現(xiàn)有市場供不應求可能導致價格進一步上漲，工業(yè)金剛石未來盈利能力有望進一步提升。

總結(jié)一下

此金剛石封裝基板是應用于高壓大功率電力電子器件中，當前還有半導體封裝基板廠研發(fā)過程中先將金剛石表面清洗干凈后烘干，再在其表面先用磁控濺射鍍膜一層金屬鈦，再鍍膜一層金屬銅，保證金剛石基板與金屬的結(jié)合力。然后經(jīng)過線路曝光、顯影、電鍍、蝕刻，形成電路圖形，其中還要克服了加工過程中金剛石高硬度的負面影響,保障金剛石封裝基板的性能。

總之，金剛石是一種熱導率很高，散熱性非常好的基板材料，在較高溫度環(huán)境下應用前景廣闊,是制造低功耗、高功率密度器件的最佳半導體材料，其巨大的潛力吸引著越來越多的研究者投身其中。未來隨著材料、器件等各方面問題的不斷解決,金剛石的潛力將逐漸得到開發(fā),滿足未來半導體行業(yè)的需求,并在半導體封裝材料中占據(jù)一席之地。

免責聲明

【我們尊重原創(chuàng)，也注重分享。文中的文字、圖片版權(quán)歸原作者所有，轉(zhuǎn)載目的在于分享更多信息，不代表本號立場，如有侵犯您的權(quán)益請及時私信聯(lián)系，我們將第一時間跟蹤核實并作處理，謝謝！】

審核編輯 黃宇