超高熱導(dǎo)半導(dǎo)體封裝基板——金剛石

?基板是裸芯片封裝中熱傳導(dǎo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，高密度組裝、小型化特性愈發(fā)明顯，組件熱流密度越來(lái)越大，對(duì)新型基板材料的要求越來(lái)越高，要求具有更高的熱導(dǎo)率、更匹配的熱膨脹系數(shù)以及更好的穩(wěn)定性。目前，各種新型封裝基板材料已成為各大廠競(jìng)相研發(fā)的熱點(diǎn)，其中金剛石作為新一代基板材料正得到愈來(lái)愈多的關(guān)注。

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封裝基板材料的要求是:高電阻率、高熱導(dǎo)率、低介電常數(shù)、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(jī)械性能及易于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等。早在1929年德國(guó)西門子公司成功研制Al2O3陶瓷后，已成為目前產(chǎn)量最多，應(yīng)用最廣的陶瓷基片，但由于其熱膨脹系數(shù) (7.2×10-6/℃) 和介電常數(shù) (9.7) 相對(duì)Si單晶而言偏高, 熱導(dǎo)率 (15-35W/ (m·K) , 96瓷) 仍然不夠高, 導(dǎo)致Al2O3陶瓷基片并不適合在高頻、大功率、超大規(guī)模集成電路中使用。因此, 開發(fā)高熱導(dǎo)率、性能更為完善的基片材料成為大勢(shì)所趨。隨之高導(dǎo)熱陶瓷基片材料AlN、SI3N4、SiC、金剛石逐步進(jìn)入市場(chǎng)之中。

SiC陶瓷的熱導(dǎo)率很高,且SiC結(jié)晶的純度越高, 熱導(dǎo)率越大；SiC最大的缺點(diǎn)就是介電常數(shù)太高, 而且介電強(qiáng)度低, 從而限制了它的高頻應(yīng)用, 只適于低密度封裝。AlN材料介電性能優(yōu)良、化學(xué)性能穩(wěn)定, 尤其是它的熱膨脹系數(shù)與硅較匹配等特點(diǎn)使其能夠作為很有發(fā)展前景的半導(dǎo)體封裝基板材料, 但熱導(dǎo)率目前最高也只能260W/ (m·K)，隨著半導(dǎo)體封裝對(duì)散熱的要求越來(lái)越高，AlN材料也有一定的發(fā)展瓶頸。

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金剛石是目前已知自然界中熱導(dǎo)率最高的物質(zhì)，單晶金剛石的熱導(dǎo)率為2200~2600 W/(m.K)，熱膨脹系數(shù)約為1.1×10-6/℃ ，在半導(dǎo)體、光學(xué)等方面具有很多優(yōu)良特性，雖然單一的金剛石不易制作成封裝材料，且成本較高，但其優(yōu)勝于其他陶瓷基板材料數(shù)十倍甚至上百倍的熱導(dǎo)率，也讓許多大廠紛紛投入研究，其中斯利通半導(dǎo)體封裝基板廠就出廠過(guò)一款產(chǎn)品。

此金剛石封裝基板是應(yīng)用于高壓大功率電力電子器件中，斯利通半導(dǎo)體封裝基板廠研發(fā)過(guò)程中先將金剛石表面清洗干凈后烘干，再在其表面先用磁控濺射鍍膜一層金屬鈦，再鍍膜一層金屬銅，保證金剛石基板與金屬的結(jié)合力。然后經(jīng)過(guò)線路曝光、顯影、電鍍、蝕刻，形成電路圖形，其中還要克服了加工過(guò)程中金剛石高硬度的負(fù)面影響,保障金剛石封裝基板的性能。

金剛石是一種熱導(dǎo)率很高，散熱性非常好的基板材料，在較高溫度環(huán)境下應(yīng)用前景廣闊,是制造低功耗、高功率密度器件的最佳半導(dǎo)體材料，其巨大的潛力吸引著越來(lái)越多的研究者投身其中。

未來(lái)隨著材料、器件等各方面問(wèn)題的不斷解決,金剛石的潛力將逐漸得到開發(fā),滿足未來(lái)半導(dǎo)體行業(yè)的需求,并在半導(dǎo)體封裝材料中占據(jù)一席之地。

參考文獻(xiàn)：張梁娟??錢吉裕??孔祥舉??韓宗杰??基于裸芯片封裝的金剛石/銅復(fù)合材料基板性能研究

盧振亞 陳志武??電子封裝用陶瓷基板材料的研究進(jìn)展