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金刚石——电子设备中热管理的绝佳选择

发表时间:2021-12-20 17:56作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com

金刚石具有任何材料中最高的导热率,这使其成为电子设备中热管理的绝佳选择。一旦制造了半导体器件,就必须将芯片封装并内置到电气系统或电子产品中。金刚石材料的优异热性能-具有最高的导热率和低的热膨胀系数-可用于电子包装和电力系统中的热管理。

电子热管理的最佳材料是什么?

图1.典型的CVD金刚石散热器封装几何形状。


金刚石的导热系数是铜的导热系数的五倍。铜虽然是很好的导热体,但铜也能导电。金属通过自由电子传导热和电。电路需要与铜电气隔离,以防止短路。然而,金刚石具有高的介电强度。


金刚石,陶瓷,玻璃和其他电绝缘体通过声子或晶格振动传导热量。由于极强的原子键合,钻石具有刚性的晶格。金刚石的刚性晶格提供了很高的振动频率,因此提供了2,220 K的高德拜温度,从而限制了声子-声子散射的阻抗。


电子热管理的最佳材料是什么?

图2.与铜,氧化铍和氮化铝材料相比的Diafilm散热器。


金刚石散热器的高导热率和高介电强度的结合对于大功率激光二极管阵列,RF模块和大功率晶体管而言非常有价值。氧化铍(BeO)衬底由于其高导热率和介电强度的组合而被用于某些电子包装应用中。金刚石散热器取代了有毒的BeO散热器,同时提供了更好的散热性能。由金刚石制成的电子散热器和封装基板在散热方面非常出色,同时还使微电子器件与其他设备和电路组件电绝缘。高效的散热可延长这些电子设备的使用寿命,并且设备的高昂更换成本证明了使用高效,相对昂贵的金刚石散热器的合理性。合成金刚石散热器可防止硅和其他半导体材料过热。


CVD金刚石的热膨胀系数(约1 ppm /°C)比硅(2.6 ppm /°C),GaAs(5.7 ppm /°C),GaN(3.2 – 5.6 ppm /°)低得多。C)和铜(16.6 ppm /°C)。必须在设计过程的初期就对热膨胀差异进行考虑和建模,以防止热循环期间的应力降低器件寿命和可靠性。在某些设计中,电子设备夹在两个金刚石层之间以平衡应力。

电子热管理的最佳材料是什么?

图3.金刚石和各种散热器材料的热性能。


金刚石基板可以通过金属化和焊接用作包装材料,以提供散热解决方案。将CVD金刚石直接沉积到设备上是将散热器集成到产品中的另一种方法。另一种方法是使用预制的金刚石晶片(金刚石热沉片),在其上制造多个常规的半导体器件或金刚石半导体器件。


在开发用于高电子迁移率晶体管(HEMT)(用于HEMT应用的金刚石氮化镓衬底)的实验中,金刚石氮化镓(GaN)和碳化硅氮化镓(SiC)的热导率测量表明:与SiC相比,金刚石可以将热阻(°C / W)降低多达58%,并且功率密度高三倍。结果,GaN-on-Diamond场效应晶体管的功率密度可以提高三倍。GaN金刚石晶片将是蜂窝基站和军事通信应用中部署的高功率GaN晶体管的理想平台。


尽管金刚石具有出色的热性能,但一些专家认为金刚石是最终的介电材料,可用于缩小和提高无源器件的性能。

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