金刚石散热片的生成方法及在微波射频领域的应用

直流炬CVD。

在各种CVD中，相同点是氢气中少量的气相碳组分，气体温度超过2,000°K 促使H2 分解为反应性极强的H× 基。热灯丝反应器沉淀直径通常高达300 mm，但沉淀面积、均匀性（如纯度等属性）及产量之间的均衡性十分关键，与整体性能同等重要。相纯度（受sp²含量降低影响）可通过两种方法控制：(1) 降低输入甲烷流量和生成速度（但会增加生成时间和成本），(2) 通过提高气体温度提高H2 分解率。微波和直流电弧喷射反应器更容易提高气体温度。采用微波辅助型CVD可实现最佳杂质含量控制，因为此方法无需阴极或灯丝，从而使微波辅助型CVD金刚石纯度、光传输性能和热导率达到最大值。

CVD 金刚石散热应用

在热系统中集成CVD 金刚石时需要考虑的因素

要将热管理元件成功集成到器件中，必须考虑完整的热传导路径以及电气要求和热机械应力。虽然CVD 金刚石刚度极高并且热膨胀系数较小（约为1 ppm/K），是高功率传输窗口应用的理想选择，但因其与Si (2.6 ppm/K)、GaAs (5.7 ppm/K) 和GaN (3.2 – 5.6 ppm/K) 等常用半导体材料存在明显差异，这给热力设计工程师带来较大挑战。除非在设计开始时即加以考虑，否则热循环产生的应力会对器件寿命和可靠性产生不利影响。控制这些应力的两种方法分别为复合半导体预裂[6] 和金刚石夹层；在金刚石夹层中，上层用于平衡应力。将金刚石集成到器件封装中时，理想几何结构取决于功率密度、冷却通道位置等诸多因素，但模型设计较为简单。

图.3. 金属化CVD 金刚石散热片

CVD 金刚石可通过以下三种方式广泛整合到散热解决方案中：(i) 独立单个金刚石单元通过金属化和焊接进行接合，参见图3（例如采用Ti/Pt/Au 溅射沉积金属和AuSn 共晶焊接）；(ii) 预制晶片支撑多个器件，使器件生产商能够大批量处理晶片（比如金属化和贴装）。此类附加步骤完成后，这些晶片可作为单个子组件的基板。(iii) 直接采用金刚石镀膜。

激光二极管阵列

将CVD 金刚石作为激光二极管阵列与微通道冷却铜块之间的接口，器件温度上升从22°C降至16°C，如图4 所示，显著延长产品寿命。

图4.器件下方配备和未配备CVD 金刚石散热片的铜微通道散热片模型。峰值温度上升从22°C（红色）降至16 °C（绿色）。

激光二极管阵列（200 μm 间隔下峰值功率密度为100 W/mm²）简易冷却铜块上CVD 金刚石几何结构的改变，表明需要300 μm 厚3 mm 宽的金刚石，而不是薄金刚石镀膜。应注意实验结果建模比较表明金属化也是热传导路径的重要组成部分。典型金属化为Ti/Pt/Au，总厚度约为1 µm [7]。钛层是附着的关键因素，与金刚石交界处形成碳化层。金层提供低电阻连接，并作为后续焊接或引线接合的基层。铂层作为屏障，阻止铜扩散形成多余的金属间化合物。

射频模块

图5. (a) 在接合到CuW 法兰的BeO 散热片上集成分立式射频器件的射频封装模拟。

另一示例是由分立式射频器件组成的射频封装，这些射频器件连接到CuW法兰上安装的1 mm厚氧化铍散热片上。氧化铍有毒且热导率仅约为200 Wm¯?K¯?。热学模型（图5）表明用300 µm 厚的TM100 CVD 金刚石替代氧化铍可使热阻下降30%。由红外摄像头采集的整个封装温度下降测量结果显示了整个器件和CuW 法兰温度下降最大值，同时也显示了金刚石层温度下降几乎可忽略。目前该产品已大批量生产，借助CVD金刚石使相同结温下输出提高40%。

图5. (b) 使用红外摄像头采集的整个封装温度下降测量结果。 

金刚石的应用前景

半导体行业采用CVD 金刚石作为散热片尚处于起步阶段。光电、功率和射频器件对卓越热管理解决方案的需求日益增长，在未来十年内将推动该工程材料的广泛采用。结合这些市场领域的增长速度，金刚石采用率的提高将推动大量投资进入合成金刚石制造行业，此类投资将促进规模经济，使金刚石在之前无法参与竞争的半导体市场中占据一席之地。

在未来十年中，我们可以预计半导体制造商将把金刚石作为基板集成于器件中，实现商业化。例如，GaN 与金刚石结合理论上可提供120 Wcm¯²功耗，而相比之下SiC 为40 Wcm¯²。

同时我们也预计兼有高热传导性与高击穿电压特性的CVD金刚石将作为有源半导体投入应用。最初可能主要应用于高压开关领域，但随着技术成熟，其他应用也将不断出现。

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参考文献

[1] M. Seal，《工业金刚石评论》，31 (1971) 464
[2] J. Doting 与J. Molenaar Proc，第4届年度IEEE 半导体热量与温度测量研讨会（1998年，加利福尼亚州圣地亚哥）（皮斯卡塔韦，NJ：IEEE）第113-7页
[3] J.W. Vandersande 1994《金刚石属性与生成》，编者G Davies（伦敦：INSPEC，IEE）第33–5页
[4] C.J.H. Wort, C.G. Sweeney, M.A. Cooper, G.A. Scarsbrook 与R.S. Sussmann，《金刚石与相关材料》，3 (1994) 1158-1167
[5] D.J.Twitchen, C.S.J. Pickles, S.E. Coe, R.S. Sussmann 与C.E. Hall，《金刚石与相关材料》，10 (2001) 731-735
[6] S. Heinemann, F. Dorsch, R. Dohle, D. Lorenzen 与F. Daiminger 《1998 德国专利说明书》196 44 941
[7] C.E. Hall 《私人通讯》，荷兰Mintres BV(2009)