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人造金刚石如何在半导体中有效地分配热量

通过迈克尔•卢西亚诺|2018年6月13日

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热的分布和耗散一直是整个半导体行业的一个问题,多晶金刚石产品已经解决了这一问题,可用于切割和修整光学,以及热、电化学和核聚变应用。多晶化学气相沉积(CVD)合成金刚石产品在生产过程中承受严格控制的生长条件,并像严格的质量控制程序一样处理。多晶CVD金刚石是最终的结果,是一种具有高一致性的人造材料,具有切削工具、拉丝和修整应用所需的可预测的性能和行为。

半导体应用的热管理使其难以优化性能,这是Element Six多年来解决的问题,并取得了显著的进展。在2018年IMS会议上,他们展示了CVD晶体金刚石是如何设计用于热管理的,并通过降低栅极结温度、提高功率密度和效率以及延长寿命来帮助克服上述限制。每个级别的设计都是为了适应特定应用领域的需要,以及开发一种或多种合成金刚石的独特性能。

受技术和经济因素的推动,这些系统的频率、电压和即时工作温度更高,这导致了CVD金刚石热分压器和GaN-on-diamond晶片在高功率半导体器件中热管理的使用增加。合成CVD金刚石的室温导热系数可达2000 W/mK,分别是氮化铜和氮化铝的5倍和10倍。

第六元素展示了这些特性的差异,他们在展台上展示了一块冰,并插入了三个由铜、铝和CVD晶体钻石制成的圆盘。当铝盘挣扎着穿透冰,没有发生任何剧烈的温度变化时,铜盘划破冰块,并立即变得更热(热量来自握着铝盘的人的手指)。另一方面,CVD钻石圆盘不仅能像黄油一样切开冰块,而且在涂到冰块上后不到一秒钟就变得和黄油一样冷。

金刚石在所有三个维度上都能均匀地传递热量,使其成为一种有效的热传播者。金属化金刚石散热片和GaN-on-diamond晶片都能够显著降低热阻,进而降低半导体器件的栅结温度,从而获得更高的功率密度。封装半导体器件的测试和组装中有一些特定的步骤,需要将温度保持在足够低的水平,以防止器件损坏,或者在整个封装中保持恒定,以优化组装质量。

由于金属化金刚石头扩展器以极快的速度支持横向和垂直的热量,它们可以快速提取并均匀地在热设备上传播热量。另一个更技术性的例子涉及功能测试期间的冷却装置。被测设备必须在没有连接散热片的测试模式下运行,这可能会导致过热。CVD金刚石无需主动水冲击冷却就解决了这个问题。另一个例子是,当一个倒装芯片粘接在基板上时,使用金刚石快速地将热量分配到基板上,使得同时对每个焊点施加相同数量的热量成为可能,从而确保1000个焊点阵列的高质量。


了下:M2M(机对机)


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