芯片封装的未来：金刚石热沉片！

半导体封装材料是半导体产业的基石，是有助于封装技术持续创新的引擎。近年来，全球封装材料市场规模保持增长，根据SEMI数据，2015年至2021年，全球半导体封装材料市场规模由189.10亿美元增长至239.00亿美元；受益于全球封装产能逐步转移至我国，国内封装材料市场规模增长显著高于全球，2015年至2020年，市场规模由267.70亿元增长至361.10亿元。随着半导体器件向着微型化、髙度集成化及高功率密度方向开展，其发热量急剧增大，热失效已经成为阻碍芯片封装器件性能和寿命的首要问题。高性能的热管理材料能有效提高芯片封装内部元器件散热能力，其中采用高热导率封装材料便是热管理中至关重要的环节。

金刚石是现在已知自然界中热导率最高的物质，单晶金刚石的热导率为2200~2600 W/(m.K)，多晶金刚石的热导率1000-2200W/(m.K)， 热膨胀系数约为1.1×10-6/℃ ，在半导体、光学等方面具有很多优良特性，成本较高，但其优胜于其他陶瓷基板材料数十倍甚至上百倍的热导率。

金刚石是一种热导率很高，散热性非常好的基板材料，在较高温度环境下应用前景广阔,是制造低功耗、高功率密度器件的最佳半导体材料，其巨大的潜力吸引着越来越多的研究者投身其中。未来随着材料、器件等各方面问题的不断解决,金刚石的潜力将逐渐得到开发,满足未来半导体行业的需求,并在半导体封装材料中占据一席之地。

金刚石膜作为高功率半导体激光器的过渡热沉有诸多优点，其优点如下:

(1)高热导率：在散热方面，热沉的热导率是最重要的因素。高功率半导体激光器工作时产生的废热需要及时散掉，否则，会造成波长红移，影响激光器寿命和稳定性。人造金刚石热导率最高可达2000W/(m·K)，是常用铜热沉的5倍左右。金刚石膜优越的热导率大大提高了激光器的散热效果。

(2)热膨胀系数匹配：金刚石膜的热膨胀系数可变，温度300K时为1x10-6/K500K时为27x10-6/K，1000K时为4.4x10-6/K，与GaAs材料匹配(4.5x106/K)，能够很好的消除热应力，减小激光器芯片变形。

(3)电绝缘性高：金刚石膜的电阻率非常高，达到103Ω·cm，绝缘性越好。

(4)介电常数小：与其他热沉材料相比(Si的介电常数118，AIN的介电常数为8.5)，金刚石膜的介电常数最小为5.5，有利于器件的运作，信号的传输。

研究金刚石热沉片作为封装材料时，（1）激光器的波长与温度的关系；使用波长漂移法测得激光器热阻；测量热沉温度分别为20℃、25℃、30℃、35℃时，10A 工作电流条件下激光器波长的变化，测试结果具体如下：

由公式

可得此时的激光器的热阻为1.74℃ /W（0.535/0.308）。

（2）计算出不同电流条件下的激光器热功率，进而可得出激光器中心波长与激光器热功率关系的拟合曲线，如下图所示：

波长与激光器热功率关系曲线

实验中使用氮化铝热沉作为过渡热沉封装同批次芯片5只，封装完成后用同种方式测试激光器热阻，可得氮化铝热沉作为过渡热沉封装的激光器热阻为 2.91℃ /W。从数据得知，金刚石过渡热沉与传统的氮化铝过渡热沉相比可有效降低激光器热阻，证明金刚石热沉片确实是半导体封装材料最好的选择。

凯发k8国际专注于高品质金刚石材料研发、生产和销售，现有核心产品晶圆级金刚石、金刚石热沉片、金刚石和氮化镓异质集成、金刚石基氮化铝薄膜等。晶圆级金刚石生长面表面粗糙度Ra＜1nm；金刚石热沉片热导率高达1000-2200W/m.k，技术指标皆达世界领先水平。采用金刚石热沉的大功率半导体激光器已经用于光通信，在激光二极管、功率晶体管、电子封装材料等领域也都有应用。