科研前沿 | 金刚石热沉片散热应用研究

金刚石是绝缘体,自由运动的电子数很少,对导热的贡献主要是来自原子振动(晶格振动)。 固体物理 中用格波来描述晶格振动,最小能量单元的格波称为声子。 在室温下,金刚石中碳原子半径小、结合力强、声 子流传输容易,且金刚石弹性模量大,密度小,其德拜温度在 2 220 K 左右,高的德拜温度也决定着金刚石具 有较高声子平均速度(1. 82 × 10 4 m / s),因此有极高的热导率。 而在实际情况下,天然金刚石单晶或者人造 金刚石由于杂质元素、晶界、缺陷等的影响,热导率并不能达到理论数值,下表为各种类型金刚石的热导率, 在室温下天然的Ⅱa 型金刚石热导率为 2200 W·m - 1·K - 1 ,是铜和银的五倍左右,仍然是自然界中热导率 最高的材料。 目前高质量 CVD 金刚石膜的热导率可达到天然Ⅱa 金刚石水平。 CVD 金刚石的散热应用主要有两种方式:一是大面积的集中散热,如 TR 组件、微波功率组件和高功率 激光器组件等;二是对热发射单元的点散热,如氮化镓器件。 前者使用大尺寸的金刚石自支撑膜或直接沉 积,后者是再进行单点加工,连接方式有键合、粘接和焊接。 多晶金刚石由于晶界的作用,在轴向和径向有小 于 10% 的热导率差异。 器件在极高热流密度下对于导热方向有严格要求,使用的多晶金刚石要求热导率更 高以避免因取向引起的的热导率差,极端情况下使用单晶金刚石,在取向差小于 2°时,单晶(100)与(010)方 向的热导率小于 1% 。

CVD 金刚石的生长方法不同,对热导率的可控性调整有较大差异。 由于 HFCVD 法制备金刚石薄膜的 过程中会引入灯丝杂质,从而影响热沉片的导热性能,因此并不是制备金刚石热沉片的理想方法。 于三 等利用灯丝热解方法合成了厚度为 100 μm 的金刚石薄膜, 在激光阵列二极管的散热中使用金刚石膜热 沉,结果表明该激光器的散热特性得到了初步改善,激光器的最大光输出功率较铜热沉散热提高了 10% 左 右。 熊礼威等采用 MPCVD 法制备了金刚石薄膜热沉片,并在此基础上研究了不同沉积工艺对金刚石热 沉片散热性能的影响。 满卫东等在 Si 衬底表面沉积金刚石薄膜散热层以提高 LED 的散热能力。 LED 的散热是将 PN 结处产生的热量传递到散热能力较差的介质如封装导热胶及硅基底,水平方向的导热能力 较差,热量集中在 LED 与介质接触的地方,属于“点散热”;添加了金刚石薄膜作为散热层之后,散热能力提 升显著。 Huang 等采用多级磁场 DC Arc Plasma Jet CVD 制备直径约 7 英寸、平均厚度 1. 54 mm 的金刚 石自支撑导热膜,通过在金刚石薄膜的沉积过程中添加磁场来确保厚度均匀性,在电弧室中测得的金刚石薄 膜的热导率(k⊥)平均值为 1 728. 9 ± 4. 9 W/ (m·K),电弧中心和边缘区域的热导率低于主弧。

张金风等在 50. 8 mm(2 英寸)硅基氮化镓异质结半导体材料上采用低压等离子体化学气相沉积方 法沉积 100 nm 厚度的氮化硅层作为过渡和保护层,然后利用 MPCVD 设备在 Si 基 GaN 异质结材料上异质 外延 18 μm 多晶金刚石,由于氮化硅的保护作用使得外延前后氮化物异质结材料特性未发生明显退化。 对 金刚石和 GaN 材料集成生长的研究,为 GaN 基 HEMT 器件散热问题的解决提供了一定的指导作用。 孙华锐 等对具有不同 SiNx 界面层厚度(dSiNx)的金刚石基 GaN 晶圆的有效界面热阻(TBReff)进行了分析,认为 TBReff由金刚石籽晶生长的 SiNx 界面层决定,另外也受金刚石成核表面的影响。 通过降低 dSiNx和减小金刚石成 核层区域,TBReff能够显著减小,研究证明当 dSiNx =24 nm 时,TBReff可以减小至 12 m 2·K·GW -1 。 Zhou 等在 高介电常数电介质钝化的 Si 基 GaN HEMT 结构上生长了 155 ~ 1 000 nm 厚的多晶金刚石(PCD)薄膜,并分 析了生长 PCD 的热导率。 结果表明,PCD 薄膜的热导率比块状 PCD 低 1 ~ 2 个数量级,并且表现出强烈的 层厚度依赖性,这归因于金刚石晶粒尺寸的不同,以及 25 ~ 225 ℃的弱温度依赖性。 他们为了增强金刚石基 GaN 器件冷却能力对势垒层进行了优化。 结果表明,金刚石基 GaN HEMT 器件的散热能力可以通过减小 GaN/ 金刚石界面层的热阻得到增强。 此外,通过对不同生长条件下的无势垒层 GaN/ 金刚石和带有 SiN 和 AlN 势垒层的 GaN/ 金刚石界面层的热特性进行系统比较,采用超薄 SiN 势垒层可以得到最低的 TBReff (6. 5 m 2·K·GW - 1 ),而直接生长在金刚石上的 GaN 界面层会导致 1 ~ 2 个数量级的热阻增长,可归因于生 长过程中形成了粗糙的界面层。 郑子轩等对金刚石衬底多栅 GaN HEMT 的热特性分析表明,衬底厚度为 100 μm 的金刚石衬底 GaN HEMT 其峰值温度集中在栅指附近为382. 69 K,热应力和位移变形主要分布在金刚石/ GaN 界面的边界热阻 会限制 HEMT 器件的散热能力,但金刚石/ GaN 界面的边界热阻从 0 增加到 80 m 2·K·GW - 1 ,器件结温增 大 13% ,热应力增大 78% ,金刚石衬底在较厚情况下依然可以保持较低的热阻,当金刚石衬底厚度从 50 μm 增大到 600 μm,器件结温仅增加 10. 5 K。 孔月婵等将 3 英寸的 GaN HEMTs 外延层转移到多晶金刚石衬底上。 模拟结果表明,外延层的厚 度和界面热阻对结温的大小有很大影响,认为界面热阻每增加 10 m 2·K·GW - 1 ,结点温度增加 10 K。 电学性能测试结果显示,衬底转移前后的残余应变未影响二维电子气密度和电学特性;最大电流密度从 968 mA/ mm增加到 1 005 mA/ mm 时,PAE 从 50. 9% 降低到 50. 5% 。 相对于传统的 SiC 衬底 GaN 器件,功耗 为 10 W/ mm 时,1. 25 mm 厚的 GaN HEMTs 峰值结温从 241 ℃ (SiC 衬底)下降到 191 ℃ ;但是金刚石与 GaN 的界面热阻相对较大,达到 51 m 2·K·GW - 1 ,并认为需要在提高金刚石衬底和键合层的热导率、减少键合 层厚度及优化键合工艺等方面进一步优化,进而提升热扩散效果。 Liang 等通过 Ar 离子轰击,活化金刚石和氮化镓表面后实现直接键合。 随后采用氮气环境下高温 热处理,改善键合界面结合状态,获得厚度最低为 1. 5 nm 的超薄中间层。 GaN 应力测试结果显示,SAB 键合 技术明显低于表面金刚石生长技术,表明键合技术对于维持 GaN 机械及电学性能,更具优势。 Song 等通过有限元仿真技术计算最优的 GaN 层厚度,提出在 GaN/ 金刚石材料集成过程中,由于 GaN 中声子散射效应,GaN 层的最优厚度需要与 GaN/ Dia 的界面热阻进行匹配。 假定界面热阻为 6. 5 m 2·K·GW -1 和 30 m 2·K·GW - 1时,所对应的 GaN 层最优厚度分别为 3. 5 μm 和 5. 8 μm。 此项研究为构建金刚石/ GaN 材料提供了一种新的思路。 Wang 等采用 Mo / Au 纳米层在室温下将氮化镓晶圆键合在多晶和单晶金刚石晶片上,GaN 晶片和金 刚石晶片表面沉积的 Mo / Au 双晶层( ~ 5 nm / 11 nm),Mo / Au 纳米层的空隙率为 1. 5% ,结合强度为 6. 8 MPa。 经过1 000 次热循环测试,结合面积仍为73% ,说明 Mo / Au 纳米层能够平衡 GaN 与金刚石片热膨 胀系数的差异。 北京科技大学提供的大尺寸金刚石导热板规模化应用于卫星的 TR 组件,应用单位提出在 天线框架中嵌入金刚石膜的解决方案,实现了众多 T / R 模块分布式点热源热量的高效收集与传输 。 经 地面验证,金刚石与金属框架热匹配设计合理,散热性能优异,所有 T/ R 模块的温度水平在 15. 3 ~ 19. 3 ℃区 间,T / R 模块温度梯度不大于 1. 9 ℃ 。 经飞行验证,天线 T / R 模块的遥测温度在 7. 2 ~ 15. 8 ℃ 区间,所有 T / R模块的最大温度梯度 2. 2 ℃ ,优于≤10 ℃的指标要求。 且当天线处于全发射工作模式工作 20 min 时, 天线 T / R 模块的温升仅 2. 8 ℃ ,金刚石膜的扩热性能良好,能够将 T / R 模块的温度迅速扩散至外部,进一步 验证了高导热金刚石热设计与实施的合理性和正确性。

凯发k8国际专注于金刚石得研究和生产，有金刚石热沉片、金刚石晶圆、金刚石基氮化镓、金刚石基氮化铝、单晶等产品，正在大力推动金刚石产业化及规划化发展。目前金刚石产品已用于军工、大功率LED、激光器等领域。