金刚石助力先进封装芯片散热新策略

面向高功率密度器件如芯片的高效散热领域，具有最高热导率的金刚石被视为是解决“热病”问题的最佳“良药”。近日哈尔滨工业大学红外薄膜与晶体团队使用银烧结技术实现大尺寸、高表面粗糙度金刚石和硅的低热阻、高强度异质连接，并通过相关器件可靠性测试验证。

由于硅的低成本、大尺寸、高纯度、易加工、安全无毒等特点，让其成功取代锗成为现今半导体材料的半壁江山。同时，以硅材料为基础发展起来的新型材料，包括：绝缘层上的硅、锗硅、多孔硅、微晶硅以及以硅基异质外延化合物半导体材料等，在不同领域也极具应用价值。但随着现代科学与技术的发展，硅材料在半导体制作上逐渐趋向物理极限，已经无法满足一些超高规格电子产品的苛刻条件，特别是针对射频芯片、功率器件在高频、高压、高功率的需求上，硅材料性能的限制尤为突出 [1]。因此，面临来自GaN，Ga2O3，SiC等为代表的新一代半导体材料的激烈竞争，伴随着一系列新兴技术正迅速崛起，关键材料及应用技术的突破将成为全球半导体产业新的战略高地。

图1 半导体发展关键材料、关键工艺、关键封装技术概况。

如今，先进的封装工艺更被看作是为摩尔定律“续命”的最优解，也将提到芯片制造前端工艺甚至整个生产环节中去。而采用先进的封装技术将进一步缩短互连互通距离，提高集成度，具有封装体积小，互连线短，信号传输快，寄生电容和电感低，功耗低，可靠性和稳定性高等诸多优点。其中，为了满足高速计算、高密度存储器、低功耗、低封装外形的要求，3D堆叠技术将作为超越摩尔定律的重要研究和应用方向。例如结构简单的NAND闪存，已经大面积转向3D堆叠工艺，但3D堆叠工艺也不是万能的，散热就是要面临的一大难题，尤其是在三维封装中将面临更严重的“蓄热”以及多芯片间“协同热设计”等问题，极大限制了芯片从单片平面封装走向更先进的合封、共封、2.5D、3D封装。

未来，无论针对何种材料、工艺或封装技术，电子设备高密度、高功率和高性能的趋势是不可逆转的。然而，对于高集成度的器件而言，会产生大量热量，并且通常表现出不均匀的散热，导致它们达到过高的温度，从而降低其性能、可靠性和寿命，功耗不断增加带来“热死亡”问题突出。所谓“百病生于寒，万Die损于热”，一项有趣的研究发现喜怒哀乐将会带来人不同器官的温度变化，从而影响机体健康，那么著名“十度法则”也告诉，晶体管温度每升1℃，使用寿命及可靠性下降50% 。

图2 人体以及芯片受温度影响示意图。

因此需要开发先进的散热技术，寻找合适的导热材料，为了保证热沉的正常工作、良好性能和使用寿命，必须考虑如导热系数、热膨胀系数、介电常数、电阻率、可金属化和机械可加工性等相关的物理化学性能。另外，对高导热材料的形状尺寸加工也有较高的要求，表面必须具有很高的平整度，以利于和热源器件良好的结合性能和保持热量传递通道畅通；厚度必须均匀，使得热量的耗散均匀而稳定。还需要具有较低的密度，可以在提高导热材料的导热系数的同时进一步减轻结构体积和重量。高导热材料的导热系数通常大于1200 W/m·K，还需同时满足密度低、膨胀系数小、导热率高、放气率低的要求。铝、金、铜等金属材料是热的良导体、它们的导热率分别为247 W/m·K、315 W/m·K、398 W/m·K，但还不能满足上述要求，铝密度低但导热率却不够高，且热膨胀系数较大，金、铜导热率较高，但密度较大。目前最具有潜力的轻质、高效、长寿命的高导热材料为碳基材料，主要包括碳/碳复合材料、石墨、石墨烯及金刚石薄膜材料。

表1 高导热材料性能对比

其中金刚石在目前已知的天然三维材料中具有最高的热导率，德拜温度(2230 K)在所有物质中是最高的，其原子间距小(1.54 Å)，组成物质单一，杂质浓度低，室温下热导率可以达到2200 W/m·K。另外，金刚石的热膨胀系数低，易于元器件的封装，不易产生热应力；金刚石的电阻率高，在高频和大功率器件中不易发生膜击穿，能保持器件正常工作；金刚石密度小，热质比为0.686，大大超越了传统导热材料，能满足小型化和轻量化设计的要求；金刚石的化学稳定性高，不与一般物质发生化学反应，无毒无污染，是目前最为理想的大功率器件用散热材料。因此，近年来金刚石生长和加工技术的快速发展重新引起了人们对在半导体器件和电子封装中使用金刚石的兴趣。基于超高导热金刚石材料及其换热结构进行散热应用将成为未来重要发展方向，特别是在国外面向高功率密度器件的近结高效散热领域，金刚石被视为是解决“热病”问题的最佳“良药”。基于金刚石衬底转移、生长、异质外延、多相微流控等相关技术已成重要战略研究方向被越来越多的开发在高功率半导体器件的热管理集成中。从匹配关键材料到先进制造工艺再结合先进封装，满足高性能、高效率的同时实现高效散热，这也是先进半导体器件的最终发展目标。

图3 哈尔滨工业大学红外薄膜与晶体团队自主可控研发生长的金刚石晶体。

相关研究内容

可烧结银纳米/微米金属颗粒在电子封装领域表现出许多的优点，例如低烧结温度(< 300 ℃)，烧结后高熔点(960 ℃)，以及高热导率(> 100 W/mK)。在本研究中，我们通过220 ℃压力辅助银烧结制备了具有低界面热阻和高结合强度的大面积(27 × 28 mm2)硅片/金刚石散热器系统。进行化学氧化和Ar等离子体预处理以增强金刚石表面的氧和sp2终端。此外，由于键合压力和温度对于工业应用的重要性，我们研究了外加压力对键合质量和界面热阻的影响。当施加最大键合压力为10 MPa时，硅/金刚石结合系统表现出最低的等效界面热阻(0.428 mm2K/W)和最大剪切强度(约50 MPa)。这项研究揭示了压力辅助银烧结在各种电子组件中连接金刚石散热器的潜力，特别针对高功率器件热管理的稳定结合。

图4 （a）银烧结连接金刚石和硅芯片的流程示意图，（b）改性处理后的金刚石表面XPS分析图，（c）在不同的压力下完成金刚石和硅键合后界面剪切强度测试曲线，（d）估算中间层银的等效热导率及界面热阻与烧结压力关系曲线。

图5 （a）用于评估硅-金刚石芯片散热性能的测量装置示意图，（b）硅和硅-金刚石芯片的表面温度随测试时间曲线，（c）用红外热成像研究硅和硅-金刚石晶片的温度分布。

部分应用领域

1. 基于多种材料的表面活化键合方法，实现了金刚石的低温异质连接；

2. 键合强度满足≥ 10 MPa，界面热阻最低 ≤ 2 × 10-8 m2K/W；

3. 部分样品通过可靠性测试，多工艺兼容多场景金刚石键合连接等应用需求。
   
   

图6（a）金刚石-硅键合样品，（b）金刚石-银/铜/铝键合样品，（c）金刚石键合氮化镓器件，（d）金刚石键合封装芯片样品，（e）金刚石微流道键合碳化硅基氮化镓样品（f）金刚石-光模块陶瓷键合样品，（g）针对采用不同技术键合金刚石-硅的界面形貌图。