人造鑽石散熱片和鑽石晶片上成長GaN的方式已成為RF功率放大器熱管理技術的領先者。

氮化鎵基底的電晶體和其相關的RF功率放大器（PAs） 已經出現且取代波管雷達了，電子戰系統和衛星通信的領先固態技術，並已取代移動基地台中的砷化鎵電晶體。然而，顯著的熱問題限制了氮化鎵功率放大器到達其內在的表現能力。金屬化人造鑽石散熱片最近被用來解決這種熱管理挑戰，特別是在移動式基地台和軍事雷達應用上。

本文介紹幾個重要議題，如該先進的散熱解決方案，特別是必須提到對無線射頻功率放大器。我們要介紹幾種新材質，例如像CVD（化學氣相沉積）鑽石，作為散熱器，與今日常用的熱管理材料相比，它能夠降低整體封裝熱阻。此外，安裝方面和一些關於介接介面的熱電阻和鑽石散熱器的新發展將會被討論。

CVD鑽石

鑽石具有許多非凡的屬性，包括已知的最高熱導電性，剛度和硬度，並結合廣泛波長範圍內的高度光傳輸率，低膨脹係數和低密度。這些特點可以使鑽石被選擇為熱管理的材料，並能顯著減少熱阻。

CVD鑽石在不同層級導熱範圍（1000-2000W/mk）都能夠廣泛使用在商業面。同時，CVD鑽石可以被設計為具有完整的等方性的特性，進而提高各面向的散熱。圖1顯示：用於散熱目的之CVD鑽石與其它傳統材料的熱導率的比較。

圖1. CVD鑽石的熱導率和傳統熱擴散材料的比較[1, 2]。

持續的技術開發合成CVD鑽石，使它輕易的量產進而壓低成本。非金屬化CVD鑽石散熱片，目前一片基本量價為1美元/mm3。價格差異取決於所用的導熱等級。在一些情況下，在升溫中操作系統中，可以同時降低初始成本、冷卻子系統以及進行中系統的成本。當與適當的晶圓粘貼方法應用，鑽石散熱片為半導體封裝提供了顯著的熱管理挑戰的可靠解決方案[1]。

CVD鑽石的應用

使用CVD鑽石以達到其整體性能設計的極致性能, 封裝整合議題需要被慎重考慮。若未能解決這些問題將會導致一個次佳的熱方案，以下這些是最重要的幾點：

• 表面處理 
  
• 安裝技術
  
• 鑽石厚度 
  
• 功能層面考慮 
  
• 金屬化和熱阻抗性

表面處理：
晶粒級元件的表面必須以合適的方式進行加工，以達到良好熱傳遞。散熱器的表面平整度通常應小於1μm/mm，粗糙度優於Ra <50nm，這可以通過研磨技術來實現。任何以安裝技術修復的平坦化缺陷，都會導致更高的熱阻抗。

安裝技術：
儘管在一些先進設備應用上，如高功率雷射二極體，原子力結合技術都在被考慮，大多數應用目前仍採焊接技術將管芯附著到散熱器。其次，焊錫層應保持最小厚度，特別是用於主要的TIM1（管芯和散熱器之間的熱界面材料 (TIM)），使熱阻最小化。焊接點的一個重要因素是CVD鑽石和半導體材料之間的膨脹失配問題，因為它會明顯影響性能和壽命。砷化鎵（GaAs）裝置的邊緣長度最多為2.5毫米，可硬焊到CVD鑽石而且不會有CTE失配的問題。（註：CVD鑽石的熱膨脹係數在300K溫度下是1.0 ppm/K）。表1顯示較寬範圍的焊接材料可以廣泛的應用在不同需求的焊接製程上。

表1. 焊接材料一覽表

鑽石厚度：
CVD鑽石的厚度是很重要的。對於具有小熱點的裝置中，諸如射頻放大器或雷射二極管中，厚度為250至400微米就足夠了。鑽石的等相性之特點能在恆功率輸出時最高工作溫度下有效地分散熱量。然而，隨著直徑1至10毫米的更大熱點應用，為求更好的結果需要更厚的鑽石。例如：磁盤雷射可輸出帶有數千瓦的光輸出功率，和大約2kW/ cm2的功率密度；幾釐米的鑽石厚度已被證明對磁盤雷射操作有利的[3]。

功能上的考慮：
功能性的要求可能是非常重要的。其一是散熱器的導電性。對於如雷射二極體元件，它最容易去運作驅動電流經由元件和使用散熱器作為接地。但對於其它元件，散熱器需要被絕緣。CVD鑽石本身就是絕緣體，這種絕緣可以透過保持側面不被金屬化。這對的射頻放大器和電晶體來說可能是必須的，特別是在較高的頻率下（f> 2 GHz）。熱模擬有助於優化散熱器配置來找到基於功率輸出需求、材料厚度、金屬化方案、熱源幾何形狀和封裝配置的最佳解決方案。對於設計優化，重要的是熱模擬模型，包括完整熱阻系統：裝置的細節、所有的接口、材料和最厚的散熱方案等。

金屬化和熱阻障性

金屬化對於CVD鑽石的射頻放大器及類似應用是重要的組成。基於黏著原因，機械性能和熱穩定性以及三層金屬化系統是典型的應用。一個三層金屬化系統的例子包含：a）一個碳化物金屬層形成接合到鑽石元件的碳化物；b）一種擴散阻障金屬層設置在該碳化物所形成的金屬層；和c）一個設置在該擴散障礙金屬上的平面金屬接合層，它同時為應用於接合鑽石散熱器及晶片和其他設備元件的金屬焊料或金屬銅提供一個保護層和一個濕性表面層。這樣的三層金屬化方案的一個特定的例子為鈦／鉑／金。

高品質的、濺鍍沉積、薄膜金屬化被強烈推薦為先進的散熱解決方案。由於設備和散熱器之間的熱接觸電阻必須最小化，必須避免任何多餘的金屬界面被加入系統。濺鍍層－特別是鈦濺鍍層，可以形成一個非常有效的化學劑界接CVD鑽石，以確保即使在高溫下也能保持長期穩定性。為了從鈦黏合層中分離出金附著層，會建議使用一個鉑或鈦／鎢的阻障層。鈦／鉑／金系統是很常用的高階設備，並有穩定、耐用，甚至在不斷變化的熱負荷下延長壽命週期的優良特性。然而，該方案也有一個缺點，作為鈦和鉑的熱導率相對較低（分別為TC =22 W / mK和Tc =70W / mK）。在尋求改進的材料情況下，鉻的使用已經被確定為一個可行的選擇。鉻會形成一個帶有鑽石的碳化物，也能輕易地用來作為障礙層，從而使其能夠在Tc =93.9 W / mK的相對高的熱導率下執行兩種功能。為了測試鉻的散熱效果，在布里斯托爾大學的裝置散熱及穩定性中心，準備了比較標準的鈦/鉑/金（100/120/500奈米）金屬與鉻／金（100/ 500奈米的）的樣品。熱導率的測量結果顯示，鉻／金金屬化的熱導率約是鈦／鉑／金的4倍，結果標示於圖2中。

圖2. 不同金屬化製程的熱傳導比較 [4]。

應用實例

為了證明這種鉻黏合／阻障層相較於鈦／鉑／金的優勢，高功率GaN在SiC HEMT（高電子遷移率電晶體）元件將會安裝在CVD鑽石的熱分散片上。選擇的的厚度為25μm的AuSn作為覆蓋層。為了保證所有樣品的比較結果，這些樣品被放置在也由高導熱性的鑽石材料所製成的溫度穩定平台。結果示於圖3：在左側圖中，基礎溫度從裝置中被繪製用於增大功率輸出。如圖所示，對於Cr/Au結構的溫度明顯比較低，在9W功率元件輸出下大約低攝氏10度。在右圖中，圖表顯示直接從電晶體上測量的溫度。在此情況下，鉻基的金屬化層在9W功率輸出下降低了攝氏20度以上的管溫。這顯著的降溫結果造就4倍的裝置生命週期。或者，這樣的設備可以在更小的空間被封裝，在更高的功率密度下增加散熱的效果。

圖3. (左) 不同金屬化製程的熱傳導比較 [4]。
圖3. (右) 不同金屬化製程與焊料厚度的功率產生的溫度比較 [4]。

未來發展

從上面的例子中有發現一件重要的是事情：為改善熱管理，裝置架構必須被修改。溫度會提升主要是因為裝置本身。在此，變薄的基板，使其更靠近鑽石散熱器，未來將可進一步提升熱設計。此外，安裝這帶有面向鑽石活化層的裝置有更大的好處，一個例子是安裝雷射二極體面朝下直接對散熱器焊接在量子井的結構，另一種方式是使用不同的襯底使該裝置接點更靠近鑽石。這已經經由使用在鑽石晶片的GaN移除矽基底和過度層上，並以CVD鑽石取而代之證明了，結果產生了1微米以內熱接點的鑽石材料。帶氮化鉀的鑽石晶片用於RF HEMT元件的初始用戶已證明了相較同等的GaN/SiC的元件，今日的先進功率器件技術有多達3倍的功率密度。[6]

結論

可預見的，顯著熱管理改進的電子系統可通過使用先進的材料，如CVD鑽石來實現，且整合相對簡單。因為鑽石散熱器可以直接更換AlN（Aluminium nitride），BeO（Berillium oxide）或其他先進陶瓷。該注意的細節是在界面處，無論是在選擇金屬和其厚度的上，重要的是要保持低總熱阻，進而優化鑽石的有效性。由於透過改良合成技術使CVD鑽石可以作為散熱器，進步的製程和持續降低成本變得更具吸引力，它在高功率密度的應用不斷增加。可以預期，這一趨勢將在未來幾年將會延續，以符合接下來的更多、更小、更強大的電子元件和系統的需求。

參考文獻

1. R. Balmer, B. Bolliger “Integrating Diamond to Maximize Chip Reliability and Performance,“ in Chip Scale Review, July/August 2013, pp. 26 – 30.
   
2. Internal Element Six Technologies research and report.
   
3. Element Six internal thermal simulation, C. Bibbe, 2006.
   
4. GaN-on-Diamond High-Electron-Mobility Transistor – Impact of Contact and Transition Layers, J.Anaya, J.W. Pomeroy, M. Kuball, Center for Device Thermography and Reliability (CDTR), H. H. Wills Physics Laboratory, University of Bristol, BS8 1TL Bristol, U.K.
   
5. G.D. Via, J.G. Felbinger, J. Blevins, K. Chabak, G. Jessen, J. Gillespie, R. Fitch, A. Crespo, K. Sutherlin, B. Poling, S. Tetlak, R. Gilbert, T. Cooper, R. Baranyai, J.W. Pomeroy, M. Kuball, J.J. Maurer, and A. Bar-Cohen, “Wafer-Scale GaN HEMT Performance Enhancement by Diamond Substrate Integration” in 10th International Conference on Nitride Semiconductors, ICNS-10, August 25-30, 2013, Washington DC, USA.
   
6. M. Tyhach, D. Altman, and S. Bernstein, “Analysis and Characterization of Thermal Transport in GaN HEMTs on SiC and Diamond Substrates”, in GOMACTech 2014, March 31-April 3, 2014, Charleston, SC, USA.

原文請參閱《半導體科技雜誌 SST-AP Taiwan》

【本文僅反映專家作者意見，不代表本報立場。】

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