第四代電子封裝熱沉材料-金剛石熱沉材料介紹

2022/11/16 分類:特陶百科電子電器電工電子金剛石 591 0

熱沉材料，由于要與芯片緊密貼裝，需要考慮2大基本性能要求：高的熱導率(thermal conductivity，TC)和匹配的熱膨脹系數(coefficient of thermal expansion,CTE)。

金剛石通過晶格振動傳熱，碳原子產生振動的量子能量較大，也就是振動頻率很高，因此熱導率非常高。天然單晶金剛石的室溫(25℃)熱導率可達到2200W/(m·K)，作為對比，金屬銅的熱導率約為4 00W/(m·K)，而傳統的半導體材料硅的熱導率不足200W/(m·K)。采用CVD法人工培育的金剛石，其室溫熱導率通常也能達到1000-2000W/(m·K)。

作為對照，陶瓷材料：如氮化鋁、氧化鈹、氧化鋁。熱導率分別為170-230 W/m.k、190 W/m.k、20 W/m.k，其中氮化鋁在燒結過程中產生的雜質和缺陷造成實際產品的熱導率低于理論值，氧化鈹生產成本較高并且有劇毒，氧化鋁熱導率最低。金屬材料：如鋁、銅。熱導率分別為230 W/m.k、400 W/m.k，但是金屬鋁、銅的熱膨脹系數較大, 可能造成比較嚴重的熱失配問題。復合材料：如鋁碳化硅。是將SiC陶瓷和金屬Al結合在一起的金屬基復合材料，熱導率為200 W/m.k，需要通過改變SiC的含量使其與相鄰材料的熱膨脹系數相匹配，增加了調試成本。

金剛石熱沉材料具有高熱導率、低膨脹的優點，密度小，可鍍覆性和可加工性較好，可以取代目前廣泛應用的鎢銅、AlSiC、AlN等材料。金剛石與銅、鋁等金屬復合材料是國內外先進熱沉材料的新寵，通過調節金剛石體積分數實現高熱導和可調熱膨脹，可滿足系統散熱和組裝工藝的要求，被譽為第四代電子封裝熱沉材料。金剛石在室溫下具有最高的熱導率，是銅、銀的5倍，又是良好的絕緣體，因而是大功率激光器件、微波器件、高集成電子器件的理想散熱材料。在熱導率要求1000~2000W/m.k之間，金剛石是首選以及唯一可選熱沉材料。

目前，CVD 金剛石熱沉片可通過以下三種方式廣泛整合到散熱解決方案中：

1.? ? ? 獨立單個金剛石單元通過金屬化和焊接進行接合，（例如采用Ti/Pt/Au濺射沉積金屬和AuSn 共晶焊接）；2.? ? ? 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。3.? ? ? 直接采用金剛石鍍膜。

相關企業情況:

河北普萊斯曼:

CVD金剛石熱沉片，厚度為0.1~2mm，直徑可達100mm，熱導率達到1200~2000W/m·K。

北京沃爾德:

CVD多晶金剛石熱沉材料，直徑為70mm，厚度0.4mm，由其全資子公司廊坊西波爾鉆石技術有限公司生產。

化合積電:

核心產品有晶圓級金剛石、金剛石熱沉片、金剛石基氮化鎵外延片、藍寶石基氮化鋁薄膜等。金剛石熱沉片產品熱導率高達1000-2000W/m·K。

上海微瞬半導體:

開發生產的鋁金剛石熱沉產品導熱系數大于500W/m·K ，與芯片材料相匹配的熱膨脹性能，低密度，滿足輕量化需求，可替代鎢銅熱沉、鋁碳化硅等材料，適用于航天航空領域。

深圳瑞世興:

高導熱金剛石銅復合材料，熱導率大于600W/m·K，熱膨脹系數為6~8×10-6/K。

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