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    金刚石热沉,,芯片封装的战略新高地!!!!

    时间:2023-10-31浏览次数:1125

    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。。。。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。。


    同时,,随着芯片制程的不断缩小,,,,关键工艺难度越来越大,,,,进度越来越缓慢。。。。相关装备的换代以及流片的成本问题也不得不考虑。。。据悉,,,,台积电的7 nm工艺开发成本已经超过了30亿美元,,,,接下来的5 nm工艺要超过50亿美元,,,,在平面上想提升晶体管密度已经变得相当有挑战性。。。持续创新是摩尔定律的重要基础,,,但每次改进都需要权衡取舍。。。。晶体管的设计已经从平面走向立体,,,,譬如采用包埋、、堆叠以及三维异构等,,,,一次次创新性的突破不断延续着摩尔定律的神话 [2]。。。。但工艺尺寸的不断缩减带来等效晶体管密度的提升也快到尽头,,,并且工艺的复杂度和高昂的成本导致较低的性价比,,,,以及总功耗限制性能,,,因此迫切需要新的封装工艺,,加工工艺,,,,电池工艺和材料物理等一系列相关技术的突破。。。其中封装技术作为传统芯片制造工艺后端中极其重要的一部分,,,其已不仅仅是简单的为芯片提供支撑、、、、保护、、、互连、、、散热等作用。。。。

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    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% 。。。

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    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。。。


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    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。。。。

    尊龙时凯(厦门)半导体科技有限公司是一家专注于第三代(宽禁带)半导体衬底材料和器件研发、、生产和销售的高科技企业,,,,致力于成为全球领先的宽禁带半导体材料和器件公司,,,核心产品是晶圆级金刚石、、、金刚石热沉片、、、、金刚石基氮化镓异质集成、、、金刚石窗口片等。。公司具备MPCVD设备设计能力,,国内首家掌握MPCVD制备高质量金刚石的核心工艺并实现量产,, 并且独创基于等离子体辅助抛光的金刚石原子级表面高效精密加工方法,,全球首家将金刚石热沉片表面粗糙度从数十微米级别降低至1nm以下,,达到半导体级应用标准。。。。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。。。。基于晶圆级的金刚石产品能力,,,,公司开发出了金刚石基氮化镓异质集成方案,,,,主要应用在射频(卫星、、5G基站)与高功率器件(光伏、、、、风力发电、、、新能源车、、储能)等对热管理需求高的领域,,,作为碳化硅基氮化镓材料的补充。。。

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