超硬材料網

       現代微電子技術發展迅速，電子系統及設備向大規模集成化、微型化、高效率、高可靠性等方向發展。電子系統集成度的提高將導致功率密度升高，以及電子元件和系統整體工作產生的熱量增加，因此，有效的封裝必須解決電子系統的散熱問題。

       良好的器件散熱依賴于優化的散熱結構設計、封裝材料選擇（熱界面材料與散熱基板）及封裝制造工藝等。其中，基板材料的選用是關鍵環節，直接影響到器件成本、性能與可靠性。一般來說，電子封裝材料的應用需要考慮兩大基本性能要求，首先是高的熱導率，實現熱量的快速傳遞，保證芯片可以在理想的溫度條件下穩定工作；同時，封裝材料需要具有可調控的熱膨脹系數，從而與芯片和各級封裝材料保持匹配，降低熱應力的不良影響。而電子封裝材料的發展軌跡是對這兩項性能的不斷提高與優化。

       新型封裝基板材料當然還需要考慮其他性能，譬如具備高電阻率、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特點，所以新型封裝基板材料的選擇是各國競相研發的熱點。         目前幾種常用的封裝基板有Al2O3陶瓷、SiC陶瓷、AlN等材料。

       早在1929年德國西門子公司成功研制Al2O3陶瓷，但是Al2O3的熱膨脹系數和介電常數相對Si單晶而言偏高, 熱導率也不夠高, 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。

       隨之高導熱陶瓷基片材料SiC、 AlN、SI3N4、金剛石逐步進入市場之中。

       SiC陶瓷的熱導率很高,且SiC結晶的純度越高熱導率越高；SiC最大的缺點就是介電常數太高, 而且介電強度低,所以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。但熱導率低，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。

       最終金剛石脫穎而出，金剛石具有很好的綜合熱物理性能，其室溫下的熱導率為700～2200W/（m·K），熱膨脹系數為0.8×10-6/K，在半導體、光學等方面具有很多優良特性，但單一的金剛石不易制作成封裝材料，且成本較高。

       研究人員們根據混合法則，將金剛石顆粒加入Ag、Cu、Al等高導熱金屬基體中制備的金剛石/金屬基復合材料，有望成為一種兼具低熱膨脹系數和高熱導率的新型電子封裝材料。依據銅具有優良的導電性能和高的導熱性能，研發出了金剛石/銅復合材料作為電子封裝的基板材料，并證實了金剛石/銅復合材料具有較好的可鍍覆性和可焊性，符合電子封裝基片材料低熱膨脹系數和高熱導率的使用性能要求，且與Mo/Cu合金相比，密度更小、質量更輕，因此以金剛石為增強相、銅為基體材料的金剛石/銅復合材料，可以用于芯片封裝，可提高電子裝備系統性能且有利于減輕裝備重量。

       隨著材料、器件等各方面技術問題的不斷攻克，金剛石成為集熱導率高、散熱性好等優點于一身的基板材料，在較高溫度環境下應用前景廣闊，是制造低功耗、高功率密度器件的最佳半導體材料，其巨大的潛力吸引著越來越多的研究者投身其中。金剛石的潛力將逐漸得到開發，滿足未來半導體行業的需求，并在半導體電子封裝材料中占據一席之地。

 參考資料：

       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展