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金刚石热沉片在大功率电子应用的广大市场

发表时间:2022-05-09 14:29作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com

金刚石由于具有高热导率对于大功率电子器件拥有广泛的应用前景,使用金刚石作为大功率电子器件的热沉将大大提高这些器件的性能。目前高功率电子器件普遍使用的散热材料是氮化铝热沉,将其作为过渡热沉烧结在铜热沉上。随着金刚石制造技术的大力发展,金刚石的成本得到降低,使得金刚石得到了广泛的应用。


目前化合积电金刚石热沉片的热导率最高已经达到 2000W/(K·m)以上,远远大于氮化铝和铜的热导率。若将其作为过渡热沉,将提高器件的散热能力,减少热阻,提高电子器件输出功率,延长电子器件寿命。


应用案例:


•CVD 金刚石作为过渡热沉封装高功率半导体激光器,激光器热阻为 1.73℃ /W,与传统的氮化铝热沉相比,选择金刚石热沉作为过渡热沉可有效降低热阻。在连续电流条件下测试激光器的输出特性,阈值电流为 0.95A;在电流为 25A 时,激光器功率为 24.0W,中心波长 980.19nm,光谱半宽 4.04nm,在注入电流 0-25A 范围内,激光器输出功率并未出现饱和趋势,说明金刚石热沉可明显改善大电流条件下激光器散热问题,提高激光器输出特性。因此在大电流条件下,针对高功率半导体激光器的散热问题,拥有高热导率的金刚石热沉作为过渡热沉是有显著优势的。



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• 金刚石封装

金属化:有助于改善芯片和金刚石散热片之间的界面特性,沉积顺序一般为钛层→ 铂层 → 金层(在顶部沉积一层金,有助于在焊接过程中连接焊线时粘附);



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焊接层:TIM1,可以在器件和散热片之间使用共晶金/锡(AuSn,Tm =+278°C)或金/锗(AuGe,Tm =+361°C),通常以2至4 μm的厚度溅射沉积或蒸发到散热片上。TIM2,在散热片和submount或者package之间,应使用较低熔点的焊料,如铟(In)或铟/锡(InSn)。



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散热片上多通道 ASIC 芯片(左)和基于CVD 金刚石散热片上的 ASIC芯片(右)的有限元模型。嵌入1 mm厚的TM220金刚石散热片,可将有源放大器区域的峰值温度从92 °C降低至68 °C 。



•金刚石探测器:

相比于传统的硅基探测器具有灵敏度高、暗电流小、抗辐射能力强以及使用年限长等优点。这是因为金刚石具有极宽的禁带宽度(5.45eV),且金刚石晶格中C-C键键能非常高,以及碳原子对高能粒子辐射的吸收截面很小等特性决定的。当高能粒子经过单晶金刚石时,由粒子的离化作用在金刚石晶体内部形成电子-空穴对,对金刚石施加外加电场时,电子和空穴分别朝反方向运动,即形成迁移电流,迁移电流的强度与入射高能粒子的强度与数量成正比,通过检测迁移电流的大小即完成对入射粒子强度的测量。



由于金刚石粒子探测器的优良特性,使其特别适用于需要检测高能粒子的装置,如核聚变堆和核裂变堆,空间辐射探测器等。



化合积电具备MPCVD设备设计能力,国内首家掌握MPCVD制备高质量金刚石的核心工艺并实现量产,并且独创基于等离子体辅助抛光的金刚石原子级表面高效精密加工方法。全球首家将金刚石热沉片表面粗糙度从数十微米级别降低至1nm以下,达到半导体级应用标准;金刚石热沉片热导率可达1000-2000W/m.k,充分发挥金刚石高热导率的优势下,可以根据客户需求进行产品定制。采用金刚石热沉的大功率半导体激光器已经用于光通信,在激光二极管、功率晶体管、电子封装材料等领域也都有应用。


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