關鍵詞：金剛石，半導體封裝，散熱材料，高端國產材料

引言：基板是裸芯片封裝中熱傳導的關鍵環節。隨著微電子技術的發展，高密度組裝、小型化特性愈發明顯，組件熱流密度越來越大，對新型基板材料的要求越來越高，要求具有更高的熱導率、更匹配的熱膨脹系數以及更好的穩定性。而具備這些優良特性的金剛石應運而生。

圖1 封裝模型封裝基板材料的要求是:高電阻率、高熱導率、低介電常數、介電損耗、與硅和砷化鎵有良好的熱匹配性、表面平整度高、有良好的機械性能及易于產業化生產等。一般的封裝基板有Al2O3陶瓷、SiC陶瓷、AlN材料。但是Al2O3的熱膨脹系數 (7.2×10-6/℃) 和介電常數 (9.7) 相對Si單晶而言偏高, 熱導率 (15-35W/ (m·K)) 仍然不夠高, 導致Al2O3陶瓷基片并不適合在高頻、大功率、超大規模集成電路中使用；SiC陶瓷的熱導率很高,且SiC結晶的純度越高, 熱導率越大；SiC最大的缺點就是介電常數太高, 而且介電強度低, 從而限制了它的高頻應用, 只適于低密度封裝；AlN材料介電性能優良、化學性能穩定, 尤其是它的熱膨脹系數與硅較匹配等特點使其能夠作為很有發展前景的半導體封裝基板材料, 但熱導率目前最高也只能260W/ (m·K)，隨著半導體封裝對散熱的要求越來越高，AlN材料也有一定的發展瓶頸。而金剛石是目前已知自然界中熱導率最高的物質，金剛石的熱導率為2200~2600 W/(m.K)，熱膨脹系數約為1.1×10-6/℃ ，在半導體、光學等方面具備其他封裝材料所達不到的優良特性。

隨著全球汽車行業越來越多地轉向電動汽車以實現碳中和，開發下一代汽車半導體對于提高電動汽車的燃油效率和功耗，降低電池成本至關重要。與Si（硅）、SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）等當前主流半導體材料相比，被稱為“終極半導體材料”的金剛石具有更高的電壓操作能力和優異的導熱性（散熱）。使用金剛石開發和大規模生產下一代汽車半導體有望提高電動汽車的燃油效率和功耗，并降低電池成本。

近年來，金剛石半導體作為下一代高頻高功率電子器件的一種有前途的材料受到了廣泛關注，由于具有高的光學聲子能以及最高的電子和空穴遷移率，具有高導熱性、優異的介電擊穿場、高載流子壽命、高飽和載流子速度。然而，盡管它在功率器件方面具有令人印象深刻的性能，但由于其目前研發水平較低，運行壽命比預期的要短得多，因此仍有望有顯著的改進。

金剛石

一

金剛石簡介

多晶金剛石（微粉）是利用獨特的定向爆破法由石墨制得，高爆速炸藥定向爆破的沖擊波使金屬飛片加速飛行，撞擊石墨片從而導致石墨轉化為多晶金剛石。其結構與天然的金剛石極為相似，通過不飽和鍵結合而成，具有很好的韌性。

結構與天然的Carbonado極為相似，由球形的微晶聚集而成，微晶尺寸僅有3-10nm。優異的磨削性能：高的去除率和韌性，具有自銳性與單晶金剛石比起來，更不容易產生表面劃傷更適合用來研磨表面由不同硬度材料構成的工件。

二

金剛石特點

金剛石是一種超寬禁帶半導體材料，其禁帶寬度為5.5 eV，比GaN、SiC等寬禁帶半導體材料還要大。如下表所示，金剛石禁帶寬度是Si的5倍；載流子遷移率也是Si材料的3倍，理論上金剛石的載流子遷移率比現有的寬禁帶半導體材料（GaN、SiC）也要高2倍以上，同時，金剛石在室溫下有極低的本征載流子濃度。并且，除了[敏感詞]硬度以外，金剛石還具有半導體材料中[敏感詞]的熱導率， 為AlN的7.5倍，基于這些優異的性能參數，金剛石被認為是制備下一代高功率、高頻、高溫及低功率損耗電子器件最有希望的材料，被業界譽為“[敏感詞]半導體”。

尤其是5G通訊時代迅速全面展開，金剛石單晶材料在半導體、高頻功率器件中的應用日益凸顯。金剛石單晶及制品是超精密加工、智能電網等國家重大戰略實施及智能制造、5G通訊等產業群升級的重要材料基礎，這一技術的突破與產業化對于中國智能制造、大數據產業自主安全具有重大意義。

金剛石半導體基板

一

金剛石半導體應用與優缺點

金剛石半導體是指將人造金剛石用作半導體材料的技術和產物。由于金剛石具有極高的熱導率、電絕緣性、硬度和化學穩定性，因此金剛石半導體可以用于制造高功率、高頻率和高溫環境下工作的電子器件，例如微波器件、功率放大器和高速晶體管等。

金剛石半導體可以應用于以下方面：

1.微波器件：金剛石半導體可以制造出高功率、高頻率的微波器件，如微波放大器、混頻器、振蕩器等。2.光電器件：金剛石半導體可以制造出高性能的光電器件，如探測器、光電二極管等。3.高溫電子器件：金剛石半導體可以制造出在高溫環境下工作的電子器件，如燃氣輪機控制器、高溫傳感器等。4.功率電子器件：金剛石半導體可以制造出高功率、高效率的功率電子器件，如晶閘管、IGBT、MOSFET等。5.高速電子器件：金剛石半導體可以制造出高速電子器件，如高速晶體管、快速開關等。6.生物傳感器：金剛石半導體可以制造出生物傳感器，用于檢測生物分子和細胞，如DNA傳感器、生物電化學傳感器等。

金剛石半導體的優點與缺點如下：

優點：1.金剛石半導體具有優異的熱導率和電絕緣性，適合制造高功率、高溫、高頻率的電子器件。2.金剛石半導體具有極高的硬度和化學穩定性，可以保證電子器件的耐用性和穩定性。3.金剛石半導體的電學特性優異，具有高載流子遷移率和高電場飽和漂移速度，適合制造高性能的電子器件。4.金剛石半導體可以在惡劣的工作環境下長時間工作，如高溫、高壓、高輻射等。缺點：1.金剛石半導體的制造成本較高，且加工技術復雜，制造周期長。2.金剛石半導體的晶體生長技術難度大，且晶體質量難以保證，影響器件性能。3.金剛石半導體的尺寸較小，不利于大規模集成電路的制造。4.金剛石半導體的電子性質復雜，需要進一步研究和探索其機理。

二

金剛石散熱片生產法及在微波領域的應用

50多年來，采用高壓高溫技術（HPHT） 制造的合成金剛石廣泛應用于研磨應用，充分發揮了金剛石極高硬度和極強耐磨性的特性。在過去20年中，基于化學氣相沉積（CVD） 的新金剛石生成方法已投入商業化應用，這樣就使得以較低成本生成單晶和多晶金剛石。這些新合成方法支持全面開發利用金剛石的光學、熱學、電化、化學以及電子屬性。目前金剛石已廣泛應用于光學和半導體行業。本文主要討論金剛石的熱學優勢，介紹金剛石散熱片的工作原理，簡要展示金剛石生成方法， 總結金剛石的一些常見應用（包括應用方法）并以金剛石未來應用前景作為結論。首先我們來簡單介紹金剛石成為室溫下所有固體材料中最佳導熱體的原因及原理。

金剛石導熱原理
金剛石是立方晶體，由碳原子通過共價鍵結合形成。金剛石的許多極致屬性都是形成剛性結構的sp3 共價鍵強度和少量碳原子作用下的直接結果。
金 屬通過自由電子傳導熱量，其高熱傳導性與高導電性相關聯，相比之下，金剛石中的熱量傳導僅由晶格振動（即聲子）完成。金剛石原子之間極強的共價鍵使剛性晶 格具有高振動頻率，因此其德拜特征溫度高達2，220°K。由于大部分應用遠低于德拜溫度，聲子散射較小，因此以聲子為媒介的熱傳導阻力極小。但任何晶格 缺陷都會產生聲子散射，從而降低熱傳導性，這是所有晶體材料的固有特征。金剛石中的缺陷通常包括較重的?3C同位素、氮雜質和空缺等點缺陷，堆垛層錯和位 錯等擴展缺陷以及晶界等2D缺陷。

作為專門進行熱管理的元件，天然金剛石應用在一些早期微波和激光二極管器件中。但適用天然金剛石板的可用性、尺寸及成本限制了金剛石的市場應 用。隨著熱學屬性與IIa型天然金剛石相類似的微波輔助型CVD 多晶金剛石的出現，可用性問題得到了解決。目前，許多供應商提供一系列現成的熱學等級的金剛石。由于獨立式多晶金剛石采用直徑達140 mm 的大型晶片生成，因此尺寸不再局限為單個器件或小型陣列，陣列尺寸可擴展至幾厘米。基于以上原因，CVD 金剛石的實用性得到驗證，自20世紀90年代以來已被廣泛應用于各種器件之中。

二

金剛石散熱片生產法及在微波領域的應用

隨著大尺寸、高質量以及大范圍、高靈活度的金剛石沉積技術的逐步開發， 有望使大規模集成電路和高速集成電路的發展進入一個新時代。與此同時， 金剛石制備技術的發展也推動了金剛石光學及光電子學的快速進步， 實現了光電子器件的尺寸大幅降低。高精度金剛石棱鏡、金剛石圖形化電極以及金剛石聲表面波器件的應用都將推動光學、電學和聲學領域技術的進一步發展。

金剛石相比于其他材料具有諸多極其優異的物理化學性能指標， 如極佳的機械性能、熱學性能、透光性、半導體性能及化學惰性， 是一種全方位的不可替代的特殊多功能材料。這些特性在很多情況下都遠遠優于其他材料。氧化鎵、金剛石是第四代半導體材料。其中，氧化鎵是一種無機化合物，也是超寬禁帶半導體材料，氧化鎵超寬禁帶半導體材料制造的功率器件，更耐熱、更高效、成本更低、應用范圍更廣，有望替代碳化硅和氮化鎵成為新一代半導體材料。而金剛石是最有應用前景的新一代半導體材料之一。其熱導率和體材料遷移率在自然界中最高，在制作功率半導體器件領域應用潛力巨大。目前，全球都在加緊金剛石在半導體領域的研制工作。其中，日本已成功研發超高純2英寸金剛石晶圓量產方法，其存儲能力相當于10億張藍光光盤。隨著我國加快推動關鍵技術突破，功能金剛石材料將由實驗室階段向商業化轉變。

人造金剛石不僅僅是培育鉆石，有望切入下一代半導體材料領域。目前，中兵紅箭、黃河旋風、力量鉆石、豫金剛石供應我國超73%高溫高壓法工業金剛石，前三家供應約65%份額。綜合考慮擴產計劃，預計行業總產值至2025年達103億元，復合增速23%。因擴產速度有限，擴產受限+產能擠壓+需求增加，現有市場供不應求可能導致價格進一步上漲，工業金剛石未來盈利能力有望進一步提升。