高功率半导体热沉材料步入“钻铜”时代作者：刘铭坤来源：《新材料产业》2016年第12期文/刘铭坤北京有色金属研究总院金刚石/铜（D i a / C u），又名“钻铜”，是一种金刚石和铜的复合材料（见图1）通 常采用压力浸渗工艺或粉末冶金工艺制备新1代半导体材料的发展水平直接决定和影响了金 刚石/铜热沉材料的诞生和产业化进程随着砷化镓（G a A s）、氮化镓（G a N）、碳化硅 （S i C）等第2代、第3代高功率半导体芯片、器件的散热需求增加，金刚石/铜热沉材料研 发和生产得到重视和发展它具有热导率高、热膨胀系数低的特点作为新1代电子封装材料， 金刚石/铜通常被制作成热沉衬底，用于解决高功率半导体芯片或器件的散热难题，具有广阔的 市场空间钻铜”的诞生和成长，与半导体材料和封装材料的发展进程密切相关一、半导体材料的发展半导体材料发展经历了 3代以第1代半导体材料硅（S i）为衬底制作的芯片，遍布生活 中的电子电器、通讯设备，95%以上的半导体器件采用S i做衬底第2代半导体材料以G a A s、磷化铟（I n P）为代表，伴随着光纤通讯、移动互联的高速发展而出现和壮大，它适用于 制作高性能微波、毫米波器件及发光器件。
第3代半导体材料以Ga N、S iC等为代表，近年来 引起广泛的研究它的禁带宽度更大，热导率、击穿电场、电子饱和速率都更高，在固态光源、 微波射频器件等领域有着极其大的应用前景其中，第2代、第3代半导体功率器件对芯片的 散热提出了很高要求，使热沉材料的发展得以与半导体材料的发展保持同步（见表1）Efi 1韭■方『钢•台材村示3ftGB二、用于芯片热沉的电子封装材料半导体材料通常具有较低的热膨胀系数，功率半导体芯片在工作时会有高的热量散出且 随着第2代半导体材料的成熟应用以及第3代的开发，未来芯片功率提高会对散热提出更加迫 切的需求因此，电子封装热沉材料得到广泛研究和产业化应用热沉材料，由于要与芯片紧密贴装，需要考虑2大基本性能要求：高的热导率（thermal conductivity， TC）和匹配的热膨胀系数（coefficient ofthermal expansion,CTE）通过高热 导率实现快速散热，保证芯片在适宜的温度下正常工作；通过匹配的热膨胀系数，减小热沉、 芯片以及各封装材料之间的热应力，避免开裂脱离等导致芯片过烧的情况发生热沉材料的升 级和发展，实质是热导率和热膨胀系数不断优化的过程。
用于芯片热沉的电子封装材料主要有 金属型、陶瓷型2大类1. 金属类封装材料金属类封装材料发展经历了 4代第1代是以In v a r和K o v a r合金为代表的低膨 胀系数合金，合金热导率只有11〜17W / ( m・K )第2代是铜-钨(Cu-W )和Cu-钼(Mo) 材料为代表的复合材料，达到约200W / ( m・K ),热膨胀系数约7.0X10-6/ K,表现出较好 的综合性能，是功率芯片封装的主选材料，但其较高的密度限制了其在某些领域的应用第3 代是以铝(A 1) / S i p、A l / S i C p为代表的轻质、低膨胀复合材料，A l / S i p材料 热导率只有约120〜150W / ( m・K )，虽然热导率低、但可加工性、气密性、焊接性等综合 性能好，而被大量用于制作射频功率器件封装壳体，而A 1/S i C p材料热导率能达到 220W/ ( m・K )，同时密度控制在约3.0g / c m3，虽然加工难度大、但良好的热导率也使其 作为壳体材料或芯片热沉材料而被广泛使用第4代是D i a / C u、金刚石/铝(D i a / A 1 )等为代表的高导热、低膨胀复合材料，通过设计使其具有6X10-6〜7X10-6/ K的热膨胀系 数，具有550〜650W/(m・K)的热导率，可用于第2代、第3代半导体芯片器件上，用于高功率 器件的热沉封装，帮助器件解决散热难题，实现稳定运转。
金属类电子封装材料的性能对比详 见表2«1败察#骤地衅融始飘W恤握?■? 1?G：曲i.y 5-丑tr4.5 4.7?孰111AH占心4芮ElBi*司座b.i3.7QiT7.I15Eg13IJ114E " j13JILI--I! .-TsI1萸T.]!.1刘l>!!.叽％叫TJLIGvOhLIIQnI2. 陶瓷类封装材料陶瓷类封装材料以氮化铝(A1N)、氧化铍(B e O)等为代表被广泛应用该类材料由于 其陶瓷的特性，天然具有较低热膨胀系数，与半导体材料有很好的热匹配但由于其分子间以 共价键连接，通常热导率较低，限制了其在高导热芯片上的应用A1N材料是一种很好的高功率集成电路基片和包装材料，被广泛应用于芯片封装A1N热导 率约 180W/ (m・K)，接近 BeO 和 SiC，热膨胀系数 4.5X10-6°C与 S i (3.5X10-6 〜4X10-6/°C)和G a A s (6.0X10-6/C )匹配，介电性能优良，机械性能和光传输特性好B e O 具有高的热导率、较低的热膨胀系数，受电子封装企业青睐，但是铍(B e)元素有毒性，B e O的制作过程和使用存在着很大的污染因素，因而许多设计者在选择高导热材料时，会避开Be。
SiC晶体具有更高的热导率和更低的热膨胀系数，但其造价高昂，单晶S i C通常作为半导体 材料被研发以实现其经济效益CVD-Diamond是采用化学气相沉积工艺制备的金刚石薄膜，虽 然归在陶瓷类材料，但金刚石具有极高的热导率和强度，以薄膜的形式作为芯片热沉具有十分 优异的散热性能，但造价成本极其高昂陶瓷类电子封装材料的性能对比详见表3三. 金刚石/铜的发展和应用1.Dia/Cu应用的必然性第2代、第3代芯片功率提高必然产生大量热芯片需要热导率高，线膨胀系数匹配的材 料来封装金属Cu、Al具有高的热导率但其膨胀系数不匹配(17ppm/K、23ppm/K)，若直接和芯片贴 装，会因为热应力而脱离，进而引起芯片过烧当高热导金属添加过量元素以期降低线膨胀系 数时(I n v a r、K o v a r)，大量固溶元素影响材料晶格参数，降低声子传热性能，必然 导致热导率急剧下降WCu、M o - C u以两相复合材料的形式出现是一个跨越，但其热导率徘 徊在200W/ (m・K)不足以满足日益增长的功率散热需求陶瓷类具有较低的热膨胀系数，但其热导率通常不高单独使用无法满足散热的需求，热 导率通常也局限在220W/ (m・K)以下。
虽然金刚石有极高的热导率〔(1 000〜2 000W/(m・K))，但应用于电子封装的CVDDiamond金刚石薄膜材料的制备成本极其昂贵，其产业化 之路将会更加遥远如何把金属的高热导率和陶瓷的低热膨胀系数结合，寻找较为经济的中间材料，是金刚石/ 铜被提出和研发的原因和动力金刚石导热率高达2 000W /(m・K)，热膨胀系数低至2.3p p m /匕且目前金刚石颗粒已经规模化生产，相比C V D - Diamond薄膜，颗粒状金刚石成本极 其低廉C u具有较高的热导率，且相比银(A g)、金(A u)等贵金属，热导率相差不大， 但价格很低通过研究，结合二者优点，开发出一种金刚石/铜复合材料，可以将热沉材料的使 用提高一个台阶，以适应芯片更高散热需求就弛鸩拜轮伊性年:尬W □ - E-]■ m卸壮;1网+5璀钳堞也臼］丁6-TMM3SI19r睥临5真明泌〕所LI化李气峪拒牯石2.国内外研究概况国内外关于Di a / C u复合材料的研究始于2000年前后美国率先开发它作为多芯片模 块(M C M )的基板使用，热导率达420W /(m・K)，C T E为(5.48〜6.5) X10-6/C ； 2002年日本开发成功，作为电子器件的热沉材料，热导率550W /(m・K)，C T E为6X10-6/°C ； 2007年瑞士采用气压熔渗法制备了金刚石/铜，热导率600W / (m-K)； 2008年德国 采用粉末冶金法制备了金刚石体积分数为50%的金刚石/铜复合材料，热导率642W /(m・K)； 2007年，国内北京有色金属研究总院、北京科技大学、湖南大学等对金刚石/铜复合材料开始 研究，热导率 550 〜650W/ (m・K), CTE 为 6X10-6/C。
美国和日本在研究成熟后，率先实现产业化，应用于半导体激光器、射频功率器件等国 内，随着第2代、第3代半导体材料的发展，高功率芯片日益增多，对金刚石/铜热沉的需求量 也呈现逐年增长态势3. Dia/Cu的应用目前，市场上出现的Di a /Cu，热导率550〜650W / (m〜K)之间，热膨胀系数在5〜 7X10-6/C之间该材料目前应用集中在3个领域：半导体激光器、微波功率器件、高功率半 导体照明半导体激光器的芯片是以G a A s、G a N等材料为衬底，热膨胀系数为5〜6p pm/C 功率芯片需要一种热导率高、热膨胀系匹配的热沉材料配合使用功率半导体激光器芯片本身 体积小、厚度薄(0.1m m )，在使用过程中会散发热量大热沉和芯片热膨胀系数匹配，可以 减小使用过程中冷热交替时产生热应力，从而减小芯片热沉脱离失效的几率目前在激光器上 使用的热沉材料有A l N、A12O3、C u - W、C u - M o、D i o m o n d / C u等以垂直堆 栈半导体激光器为例，目前采用的W-Cu、Mo-Cu热沉片热导率为200W (m〜K)左右，满足单巴 50W的要求美国某公司采用D i a m ond/C u复合材料作为热沉，热导率为500〜650W / (m・K)，能够实现单巴100W，而金刚石/铜热沉与芯片贴装的面积仅为15mm2。
微波功率放大器广泛应用在卫星通信、移动通信、导航、电子对抗、雷达系统等各种电子 装备中，是通信和雷达系统等的重要组成部分半导体器件是微波功率器件的核心部件，其芯 片的散热管理影响到功率的发挥、器件稳定性和可靠性目前，W-Cu、Mo-Cu主要担当热沉材 料解决热传输的问题，随着器件向高功率发展，对热沉提出更高要求金刚石/铜热沉材料有着 W-Cu、Mo-Cu 2〜3倍的热导率，将在提高半导体器件向高功率发展方面起着重要的作用目前大功率L E D的解决方案有2个：一是通过增加单位面积内灯珠数量提高功率密度实 现，二是通过增加单珠LE D的功率实现目前市场上多采用第1种方案，即提高单位面积灯 珠数量来实现通常热沉采用的是价格低廉的铝基衬板而金刚石/铜针对的是第2种应用方案， 即通过提高单珠功率实现这对散热提出较高的要求采用Dia/Cu衬底制备LED在技术上可以 实现，但由于目前成本偏高，全面推广还需时日4. “钻铜”未来之路在目前大部分热沉材料及热管理方案无法满足高功率芯片散热需求的情况下，D i a / C u 是最佳选择但由于产业化水平低，市场处于萌芽阶段，产品成本相对较高，金刚石/铜系列产 品还需要从以下3个方面改进和完善。
① 优化工艺，提高热导率通过优化基体成分，调整金刚石和铜的配比、粒度大小，减少 金刚石和铜的界面热阻，实现材料整体热导率的提高② 提升D i a / Cu热沉衬底表面质量芯片封装对热沉衬底提出重要的指标是表面粗糙度 和平面度改进加工工艺，提高表面及边角质量，对加工提出。