金刚石在新型电子封装基板中的应用

发布时间：

2023-05-08

现代微电子技术发展迅速，电子系统及设备向大规模集成化、微型化、高效率、高可靠性等方向发展。电子系统集成度的提高将导致功率密度升高，以及电子元件和系统整体工作产生的热量增加，因此，有效的封装必须解决电子系统的散热问题。 随着材料、器件等各方面技术问题的不断攻克，金刚石成为集热导率高、散热性好等优点于一身的基板材料，在较高温度环境下应用前景广阔，是制造低功耗、高功率密度器件的最佳半导体材料，其巨大的潜力吸引着越来越多的研究者投身其中。金刚石的潜力将逐渐得到开发，满足未来半导体行业的需要，并在半导体电子封装材料中占据一席之地。

        现代微电子技术发展迅速，电子系统及设备向大规模集成化、微型化、高效率、高可靠性等方向发展。电子系统集成度的提高将导致功率密度升高，以及电子元件和系统整体工作产生的热量增加，因此，有效的封装必须解决电子系统的散热问题。

       良好的器件散热依赖于优化的散热结构设计、封装材料选择（热界面材料与散热基板）及封装制造工艺等。其中，基板材料的选用是关键环节，直接影响到器件成本、性能与可靠性。一般来说，电子封装材料的应用需要考虑两大基本性能要求，首先是高的热导率，实现热量的快速传递，保证芯片可以在理想的温度条件下稳定工作；同时，封装材料需要具有可调控的热膨胀系数，从而与芯片和各级封装材料保持匹配，降低热应力的不良影响。而电子封装材料的发展轨迹是对这两项性能的不断提高与优化。

      新型封装基板材料当然还需要考虑其他性能，譬如具备高电阻率、低介电常数、介电损耗、与硅和砷化镓有良好的热匹配性、表面平整度高、有良好的机械性能及易于产业化生产等特点，所以新型封装基板材料的选择是各国竞相研发的热点。         目前几种常用的封装基板有Al2O3陶瓷、SiC陶瓷、AlN等材料。

       早在1929年德国西门子公司成功研制Al2O3陶瓷，但是Al2O3的热膨胀系数和介电常数相对Si单晶而言偏高, 热导率也不够高, 导致Al2O3陶瓷基片并不适合在高频、大功率、超大规模集成电路中使用。

       随之高导热陶瓷基片材料SiC、 AlN、SI3N4、金刚石逐步进入市场之中。

       SiC陶瓷的热导率很高,且SiC结晶的纯度越高热导率越高；SiC最大的缺点就是介电常数太高, 而且介电强度低,所以限制了它的高频应用, 只适于低密度封装。

       AlN材料介电性能优良、化学性能稳定, 尤其是它的热膨胀系数与硅较匹配等特点使其能够作为很有发展前景的半导体封装基板材料。但热导率低，随着半导体封装对散热的要求越来越高，AlN材料也有一定的发展瓶颈。

      最终金刚石脱颖而出，金刚石具有很好的综合热物理性能，其室温下的热导率为700～2200W/（m·K），热膨胀系数为0.8×10-6/K，在半导体、光学等方面具有很多优良特性，但单一的金刚石不易制作成封装材料，且成本较高。

       研究人员们根据混合法则，将金刚石颗粒加入Ag、Cu、Al等高导热金属基体中制备的金刚石/金属基复合材料，有望成为一种兼具低热膨胀系数和高热导率的新型电子封装材料。依据铜具有优良的导电性能和高的导热性能，研发出了金刚石/铜复合材料作为电子封装的基板材料，并证实了金刚石/铜复合材料具有较好的可镀覆性和可焊性，符合电子封装基片材料低热膨胀系数和高热导率的使用性能要求，且与Mo/Cu合金相比，密度更小、质量更轻，因此以金刚石为增强相、铜为基体材料的金刚石/铜复合材料，可以用于芯片封装，可提高电子装备系统性能且有利于减轻装备重量。

       随着材料、器件等各方面技术问题的不断攻克，金刚石成为集热导率高、散热性好等优点于一身的基板材料，在较高温度环境下应用前景广阔，是制造低功耗、高功率密度器件的最佳半导体材料，其巨大的潜力吸引着越来越多的研究者投身其中。金刚石的潜力将逐渐得到开发，满足未来半导体行业的需求，并在半导体电子封装材料中占据一席之地。

聚焦热点

纪念我国人造金刚石诞生60周年系列访谈活动——王明智

金刚石在航空航天领域的应用前景

金刚石微粉的主要应用

金刚石微粉作为一种超硬磨料，具有无比优越的研磨能力，日益受到各工业发达国家的高度重视。金刚石微粉的研磨能力包括对工件的磨削能力和它本身的耐磨损和抗粉碎能力，取决于其显微硬度、粒度、强度、颗粒性状以及热稳定性和化学稳定性。概括起来说，金刚石微粉用作磨料有三大方面； （1）用于树脂粘结工具、金属粘结工具以及电镀工具的制造。 （2）用于工业上、科学上和医学上各种精密元器件的精密或抛光加工。 （3）作为精细磨料用于模具加工、宝玉石抛光加工、宝石轴承加工制造。 金刚石微粉的应用除了用作研磨材料之外，另一大用途就是用作功能材料。例如利用其热学性质和电学性质等。用金刚石微粉混合到热固性树脂聚合物、纤维素、酚酸树脂或者陶瓷片之中，可制成一种具有提高热导率和降低热膨胀性的新材料。把金刚石微粉混合到金属片，如片或不锈钢片可制成具有热导率高、热膨胀性低而重量轻的新型片状材料，在电子工业中可做成高密高能器件用于热控制。 从金刚石用作研磨材料的形式来说，根据有关资料公布的数字，全世界在工业上消耗的金刚石微粉６０％以上是用来制成钻石膏、金刚石微粉混合物和金刚微粉研磨液。

纳米金刚石的用途之精密仪器的超精抛光

我们将纳米金刚石加入到介质当中制成纳米金刚石抛光液，现在主要分为水性抛光液及油性抛光液。 由于纳米金刚石抛光液中纳米金刚石粒子超硬超硬，用它可以去除材料表面细小的凹凸不平，抛光后材料表面的粗糙程度可降低到纳米级，从而使得材料表面光洁度极高。目前纳米金刚石抛光液可用于半导体硅片抛光、计算机磁头的抛光、精密陶瓷加工、宝石抛光、光学玻璃抛光加工等领域。 现在由于计算机的发展，人们对计算机存储的容量要求不断提升，这使得我们要去制造容量更大的磁盘。近年来计算机磁盘储存容量也一直在提高，但是随着储存容量的提高，带来的问题是磁盘与磁头间隙越来越小，已趋近于10NM，磁头和磁盘的表面粗糙度、划痕和杂质粒子均会对计算机磁盘造成损害，由于磁盘与磁头的间距已经到了纳米级，微米级的抛光液已经达不到抛光要求，所以只有纳米级的金刚石抛光液可以满足这一方面的要求。我们拿来纳米金刚石抛光液对计算机磁头进行抛光，发现经过抛光后确实大大提高了磁头表面的光洁度，测得此时的表面粗糙程度为0.09~0.40nm，而采用普通抛光液抛光后磁头的表面粗糙程度为0.45~0.80nm，相比之下纳米金刚石抛光液的效果要好得多，从而计算机磁头的质量也得到提升，我们就可以生产出更精密，储存容量更大的计算机磁盘。抛光时值得注意的是，由于计算机等电子产品最忌腐蚀的产生，所以一定要控制好抛光液的酸碱度，研究发现抛光液的PH 值控制在6.5~8之间较为适宜。由于阴离子Cl-和SO2-的含量会决定抛光液的酸碱度所以在制备用于计算机磁头抛光的抛光液时要控制好Cl-和SO2-的含量，同时注意观察PH值。

山东金属粉末液压机的特性

山东金属粉末液压机适用于粉末干式压制的全自动控制成型，广泛应用于电子、粉末冶金、软磁工业、导电干式压制成型、化工、汽车制造、医药、能源环保工业、玩具工业等。适用的干压粉末包括：黑色和有色金属粉末、电子陶瓷粉末、铁氧体、稀土粉末、硬质合金粉末、PTFE、金刚石和石墨粉末等。 山东金属粉末液压机液压传动系统由动力机构、控制机构、执行机构、辅助机构和工作介质组成。动力机构通常采用油泵作为动力机构，一般为一体式油泵。为了满足致动器运动速度的要求，选择一个或多个油泵。低压齿轮泵;中压叶片泵;高压柱塞泵。各种塑料材料的压力加工和成形，例如不锈钢板和钢板的挤压、弯曲、拉伸以及金属零件的冷压，也可用于粉末制品、砂轮、电木和树脂热固性制品的压制。