5G时代，金刚石/金属复合材料能否解救过热的半导体器件！

2019 年 10 月 21 日 材料科学与工程

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随着电子技术快速发展，通讯技术逐步迈入5G时代。半导体材料不断更新换代的同时，集成电路也向着大规模、高集成、大功率方向不断深入。以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体材料的应用，使得绝缘栅双极晶体管（IGBT）得到迅速发展，正在开启新一代信息技术的新局面。

大功率、高电流密度是IGBT芯片的发展趋势，这势必会造成电子元器件过热。研究数据表明，芯片表面温度达到 70~80℃时，温度每增加1℃，芯片可靠性下降5%，超过55%的电子设备的失效形式是由温度过高引起的。要解决散热问题，除了采用更高效的冷却技术外，研制出热导率大于400W/(m·K)且膨胀系数与半导体材料相匹配的新型轻质电子封装材料迫在眉睫。金刚石/金属复合材料作为新一类电子封装材料，经过十余年的研发，逐渐走向舞台中央，被寄予厚望。

金刚石的主要性能

金刚石具有禁带宽度大、硬度和热导率极高、电子饱和漂移速度高、耐高温、耐腐蚀、抗辐照等优异性能，在高压和高效功率电子、高频和大功率微电子、深紫外光电子等领域都有着极其重要的应用前景。金刚石具有目前所知的天然物质中最高的热导率（2200Ｗ/（m·Ｋ）），比碳化硅（SiC）大4倍，比硅（Si）大13倍，比砷化稼（GaAs）大 43倍，是铜和银的4~5倍，目前金刚石/金属的导热散热复合材料大有可为。

金刚石导热原理

金刚石是立方晶体，由碳原子通过共价键结合形成。金刚石的许多极致属性都是形成刚性结构的sp³ 共价键强度和少量碳原子作用下的直接结果。金属通过自由电子传导热量，其高热传导性与高导电性相关联，相比之下，金刚石中的热量传导仅由晶格振动（即声子）完成。金刚石原子之间极强的共价键使刚性晶格具有高振动频率，因此其德拜特征温度高达2220K。由于大部分应用远低于德拜温度，声子散射较小，因此以声子为媒介的热传导阻力极小。但任何晶格缺陷都会产生声子散射，从而降低热传导性，这是所有晶体材料的固有特征。

电子封装材料介绍

电子封装材料是用于微电子元器件工业领域的一种具有较低热膨胀系数和高热导率的封装材料，广泛应用于半导体器件、集成电路、汽车、军事和航空等各种封装领域。其目的是为了保护电子元器件免受灰尘、水分、冲击、振动和化学物质等外界的干扰，它能够支撑器械，导出电子元件产生的热量，为电子器件提供一个稳定的环境使其正常工作。因此作为电子封装材料有如下要求。

（1）良好的气密性：保证电子器件不受外界干扰，为半导体材料提供良好的工作环境；

（2）高的导热系数：新型电子元器件的散热量要求新时代的电子封装材料具有超高导热系数才能满足其散热需要；

（3）与半导体材料相匹配的热膨胀系数（CTE）；

（4）高的强度和刚度：能够为电子元件提供良好的机械支撑与保护；

（5）良好的加工成型和焊接性能：可加工成各种复杂的形状，并便于封装；

（6）低密度：满足新型电子器件轻质化的需求，使其能够应用于航天航空等领域；

（7）性能可靠，成本低廉：可以拓展电子封装材料的应用范围，使其广泛化和民用化。

表1：芯片与常见电子封装材料性能参数

表2：常见电子封装材料优缺点对比

综合来看，作为第四类封装材料，金属基复合材料被寄予厚望，目前金刚石/Cu复合材料和金刚石/Al复合材料是研究的重点和热点。以金刚石/Cu复合材料为例，确定铜基体与金刚石颗粒大小、晶型后，选择适当的制备工艺是决定复合材料是否成功获得优良热性能与理想界面组织的重要因素。

制备方法

金刚石/铜复合材料的制备方法主要包含高温高压法、热压烧结法（粉末冶金法）、放电等离子烧结法、挤压铸造法、喷射沉积法等。以下是各类方法的简单介绍。

高温高压法：该方法常用于超硬材料的制备与合成，而且只能制备形状简单、规则的样品，因其制备条件苛刻，所以成本较高。

热压烧结法：此方法是在粉末冶金的基础上发展起来的，将金刚石颗粒与金属粉混合均匀后放入预先设计好的模具中，在适当的真空条件下经历加热、加压、保压、冷却、脱模等过程即可得到复合材料，热压烧结法可以通过调控各组分的含量制备出性能可调的复合材料，但也存在一些缺点，如对原材料要求比较高，增强相的体积分数不易超过 55%，否则复合材料很难致密。

放电等离子烧结法：利用上、下模冲及通电电极产生的脉冲在粉末间形成等离子体放电，经放电活化、热塑变形和冷却实现复合材料快速成型的一种新型的粉末冶金技术。因具有低电压、高电流，粉末在较短的时间内完成烧结并实现致密化。尽管放电等离子烧结法具有快的升温速度，简单的工序，较短的烧结时间，但由于放电等离子体烧结也受限于金刚石的体积分数，很难实现超高热导率，而进一步增加金刚石的体积分数又烧结不致密。

挤压铸造法：其原理是指半固态或液态金属在压力的作用下充型与冷却，最后凝固成形的一种技术。采用挤压铸造法制备金刚石/铜复合材料时，需要将金刚石颗粒放入模具腔体中摇匀振实，然后注入熔融的金属(单质或合金)液体，并施加压力。该方法制备复合材料需要对模具的形状进行设计，而且浇注的金属液体的熔点不易过高，所以此方法多用于制备金刚石/铝复合材料。

喷射沉积法：通过把两种混好的粉末放入到炉膛中，经过金属熔融、液态金属雾化过程后喷射沉积在基体板上。其优点是能一步完成物料的混合、喷射与复合材料的沉积，能快速凝固，解决了增强颗粒相在金属熔体中的凝固偏析和偏聚问题，同时因为冷却速度快，也解决了复合材料中各组分间发生过激的界面反应，其示意图如下。

喷射沉积制备复合材料的示意图

熔渗法：此方法是利用熔点比增强体低的金属或合金在熔融状态下填充多孔增强体预制块8的工艺，孔隙率即是基体填充的体积分数，熔渗可分为无压熔渗与压力熔渗。无压熔渗法一般制备润湿角小于90°(润湿性良好)的两种材料，其主要依靠预制块内部的孔隙对金属熔体产生毛细管力将金属熔体吸入内部。而压力熔渗是在金属熔点以上温度，通过施加机械压力或者惰性气体压力使金属熔体渗入预制块的间隙中。与无压熔渗相比，压力熔渗制备所需的时间更短，获得的复合材料更致密，因此备受研究者的青睐。

金刚石/铜复合材料热导率主要受限于复合材料界面设计、制备工艺，具体来说是铜基体、金刚石的本征热导率，金刚石的体积分数、颗粒大小，此外两者界面情况的改善也尤为重要。一般选择晶型完整，氮含量低，100-500 um大小的金刚石作为复合材料的增强相，防止表面转化为类石墨相，提高复合材料中金刚石的体积分数，有助于获得高质量的金刚石/铜复合材料。

面对功率密度不断提高的半导体元器件，金刚石/金属复合材料能否实现为其快速退热值得期待。欢迎参与第四届国际碳材料大会暨产业展览会，与中南大学魏秋平副教授共同探讨《金刚石在电子封装和相变储热智能温控领域的应用研究》。

同时，DT新材料也有幸邀请魏秋平老师作为Workshop主席，共同探讨金刚石复合材料在导热散热领域的机遇和发展之路。