散热救星！金刚石热沉片让高压功率器件封装不再是难题

近年来，制造功率电子器件都以细微加工和MOS工艺为基础，从而推动了功率电子器件向集成化、模块化方向发展。高压大功率需求的不断增加以及工艺技术的飞速革新，推动着功率器件向小体积、高性能、速度快的方向发展，在封装时通过多芯片连接从而实现模块化是大势所趋。但由此引发的电路发热量也迅速提高，这将导致功率模块器件单位体积内所生成的热量急剧累积，使得芯片寿命下降。

实践表明，由于热量得不到及时散失而引起的器件失效率为55%，砷化镓或硅半导体芯片寿命受温度影响较大，温度每上升10℃，因此所造成的失效就是原来的3~5倍。因为电子器件中，电路的工作温度处于不断上升的状态，大部分的损耗均来自于热辐射，如果热量不能进行有效地散失，那么热膨胀系数不匹配的材料之间，就会产生热应力及热疲劳，进而导致烧毁功率模块。因此，在功率电子器件中散热是不可忽略的关键问题。

图1 功率器件种类及其发展史 

一方面，新一代宽禁带（Wide Band Gap，WBG）半导体材料，例如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），因其具有比Si更好的电、机械和热性能，而逐渐成为研究热点。用WBG半导体代替Si基半导体可以承受更高的击穿电压，实现更快的开关速度、更低的开关损耗和更高的工作温度。另一方面，封装技术的不足却放慢了高压宽禁带功率模块投入市场的脚步，与封装相关的失效在功率模块所有的失效形式中占据了很大比例，所以需要解决的瓶颈问题之一，就是高压功率模块封装材料在多物理场耦合应力作用下的失效及可靠性问题。

一般而言，电子封装包括层间介质、框架布线、密封材料和封装基板等几个部分，而封装体系中的金属镀层、芯片等模块通常具有较好的散热能力，因此影响电子器件散热的关键在于封装所用的绝缘基板材料。也就是说，解决器件散热问题的关键之一在于选择合适的封装基板。

图2 功率电子器件的封装示意图

功率电子封装基板是用于承载电子互连线且具有良好的电绝缘性能的一种底座电子元器件材料，不仅在电子电路和半导体芯片中起到支撑和保护的作用，而且在热量的散失方面也有到相当重要的作用。功率电子器件在使用过程中往往会面临着复杂的工作环境，因此理想的电子封装基板需具有如下特点：

（1）较高的热导率，良好的导热性能有利于更好的散热；

（2）热膨胀系数较低，与硅和砷化镓等封装内的其他材料的热膨胀系数相匹配；

（3）气密性好，耐高湿、高温、辐射和腐蚀等苛刻环境对电子器件的影响；

（4）刚度和强度高，可以起到支撑和保护电路及芯片的效果；

（5）焊接性能优良以及易于加工成型，能更好的适应各种形状和尺寸的器件；

（6）尽可能低的材料密度，以降低器件的重量。

常见的电子封装基板包括：有机封装基板、金属及金属基复合材料、陶瓷基封装基板。

有机封装基板：作为传统的封装基板材料，有机封装基板介电常数低、材质轻、易于加工成细微形电路、适合大批量生产、制造封装成本低。但是随着越来越多的高功率、大规模的电子器件的应用，器件的封装要求也越来越高。因为有机封装基板较差的电性能、较低的耐高温性能、较差的导热性能以及和芯片的热膨胀系数匹配性不高等缺点已经无法满足功率电子器件的封装要求，特别不适用于军事工程、智能电网、飞机、高铁等领域“较高的气密性和耐高压高温”的产品封装要求。

金属及金属基复合材料封装基板：绝缘金属基板以其较高的热导率、较高的机械强度、优良的导电性、延展性、加工性能好等优点，早已被成功的开发并用于电子封装中。铝基复合材料是金属基封装基板中常用的基板，其具有较高的比刚度和比强度、较低的密度、易于调节的热膨胀系数等优点，在功率LED、功率电子设备、航空航天、混合集成电路等行业得到了较为广泛的使用。金属材料虽然具有诸多优点，但是其在耐磨损、耐腐蚀、耐高温、固晶界面应力大易产生裂缝等方面有待改善，且金属基板生产成本较高。  

陶瓷基封装基板：现阶段常用的陶瓷基封装基板主要有Al2O3、BeO、SiC、AlN、Si3N4等。但是，Al2O3的热膨胀系数和介电常数相对Si单晶而言偏高, 热导率仍然不够高, 导致Al2O3陶瓷基片并不适合在高频、大功率、超大规模集成电路中使用。SiC陶瓷的热导率很高，且SiC结晶的纯度越高，热导率越大。SiC最大的缺点就是介电常数太高，而且介电强度低， 从而限制了它的高频应用, 只适于低密度封装。AlN材料介电性能优良、化学性能稳定, 尤其是它的热膨胀系数与硅较匹配等特点使其能够作为很有发展前景的半导体封装基板材料, 但热导率目前最高也只能260W/ (m·K)，随着对散热的要求越来越高，AlN材料也有一定的发展瓶颈。而金刚石是目前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)，热膨胀系数约为1.1×10-6/℃ ，在半导体、光学等方面具备其他封装材料所达不到的优良特性。

图3  金刚石与其他封装基板材料特性对比图

凯发k8国际是国内知名的专注于金刚石宽禁带材料的研发、生产和销售的高科技公司，其生产的晶圆级金刚石Ra<1nm，CVD金刚石热沉片热导率1000-2000W/m.k，更有GaN on diamond 、Diamond on GaN、金刚石基氮化铝等产品，致力于解决各行业高功率器件热管理问题，已获得高铁、激光器、5G通讯、新能源汽车、新能源光伏等专业领域客户的认可。