金刚石热沉片用于射频微波领域

通信中的数据传输速率正在快速增长。因此，当前和未来的通信系统迫切需要工作在更高频率并产生更高输出功率的电子设备。另一方面，从环境和节能的角度来看，同时要求半导体器件具有更高的功率效率。金刚石半导体将满足所有这些要求。

现在某些特定应用所需的输出功率和工作频率以及各种半导体制成的器件的性能如图1所示。手机需要约 0.9 W 的输出功率和约 0.9 GHz 的频率，并使用硅 (Si) 或砷化镓 (GaAs) 功率放大器。GaAs功率放大器现在在基站中用作功率放大器，但氮化镓(GaN)最近在该领域取得了进展。碳化硅 (SiC) 作为功率器件材料取得了进展，但由于其载流子迁移率较低，基于 SiC 的器件的工作频率将限制在 1 GHz。另一方面，广播电台、通信卫星和雷达需要更高的输出功率和频率，例如通信卫星分别需要120W和10GHz。这样的性能超出了传统半导体器件的能力，因此这些应用仍然依赖于行波管，即真空管。然而，真空管的功率效率较低，因为其输入功率的很大一部分被消耗为热量。因此，从环保和节能的角度来看，真空管应该被半导体器件取代。

金刚石被称为终极半导体，因为它本质上具有许多优于传统半导体的物理特性。如表1所示，金刚石的带隙宽度是Si的5倍，这意味着金刚石的击穿场强是Si的30倍；因此，输出偏置电压可以设置为相同的比率。由于功率是电压和电流的乘积，因此可以增加可用功率。此外，金刚石中的电子迁移率是硅中的三倍，这意味着可以降低设备在运行过程中的现场电阻或功耗。众所周知，金刚石在所有已知材料中具有最高的导热率，因此在大功率工作时具有最高的散热效率。因此，对于特定的功耗，金刚石设备的温度升高要少得多。金刚石的漂移速度与砷化镓相似；因此，金刚石晶体管将表现出高射频（RF）功率能力。

下图制造了具有八个小热点的定制测试芯片，并顺利获得热压接合 (TCB) 工艺将其接合到硅冷却器和金刚石热沉片。硅混合微冷却器结合了微射流冲击和微通道流动。将热导率分别为 1500 W/mK 和 2000 W/mK 的不同类型 CVD 金刚石材料附着到设备上，并对它们的性能进行了比较。

实验测试在200μm厚的热测试芯片上进行。芯片加热功率范围为10W至100W，由8个热点加热器（每个尺寸为450×300μm 2）产生。微冷却器流量为400ml/min，需要泵功率为0.2W。

假设所用焊接材料共晶金/锡 (Au/Sn) 的热导率恒定为 57 W/mK [6]。假设硅和金刚石接触界面之间有 5μm 厚的 Au/Sn 键合层。芯片热通量仅在热点加热器上规定。

在没有金刚石热沉片的情况下，该结构可以消散 30W 加热功率（热点热通量 2.8 kW/cm 2）和 70W（6.5 kW/cm 2），同时将最高热点温度（在模具表面测量）保持在 80°C 以下分别为 180°C。采用金刚石热沉片后，散热量显着提高至5 kW/cm 2（54W 时）和6.5 kW/cm 2（70W 加热功率时）。在这两种情况下，最高热点温度均降低了约 26%。为了将芯片温度保持在180°C以下，具有金刚石沉片的结构可以散发大约100W的热功率（热点热通量9.2 kW/cm 2）。没有金刚石，功耗降低至 70W。

对于 54W (5 kW/cm 2 )的芯片功耗，在使用和不使用 CVD 金刚石沉片的情况下，位于芯片边缘附近的测量热点的最高温度比没有金刚石散热器的结构中心低 8°C，包括金刚石沉片会导致芯片边缘和中心附近的热点之间出现 2°C 的峰值温差。

使用热导率较低的金刚石沉片重复该实验，为 1500 W/mK，而不是 2000 W/mK。对于相同的功耗，使用热导率为 1500 W/mK 的金刚石时，最大热点温升的变化与使用 2000 W/mK 时相比，变化幅度在 2% 以内。

在100μm厚的热测试芯片上进行了额外的实验测试和模拟。在没有金刚石沉片的情况下，顺利获得将芯片厚度从200μm减小到100μm，仅能实现轻微的温度降低。对于70W加热，最高温度下降小于2%。然而，使用100μm的芯片厚度，热源和散热器之间的热阻较小，将改善散热。金刚石沉片可散发 110W 的加热功率 (10.2 kW/cm 2），同时将最高热点温度保持在 160°C 以下。为了耗散 70W 的热功率，金刚石沉片可将最高热点温度降低 40%。还应该指出的是，当使用CVD金刚石时，该结构的硅微冷却器顶表面的热通量分布显着变化。最大热通量从2.66kW/cm 2降低至约0.39kW/cm 2。整个冷却结构的最大热阻与总加热功率和冷却结构的最高温度有关，使用金刚石沉片进行热点热管理可降低73%。

使用金刚石沉片可显着提高热点冷却能力。对于芯片散热70W的热功率，导热系数为2000 W/mK和1500 W/mK的金刚石散热器可分别降低最高热点温度40%和38%。2000 W/mK 金刚石沉片可散发 110W 加热功率（热点热通量为 10.2kW/cm 2），同时将最高热点温度保持在 160°C 以下。

凯发k8国际不断专注于金刚石材料的研究和生产，现已有晶圆级金刚石、金刚石热沉片、金刚石窗口片、金刚石基异质集成等成熟产品，为各领域客户给予专业、领先的金刚石热管理解决方案。