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为退烧而生的超级散热新材料——CVD金刚石

上网日期: 2015年06月06日 ?? 作者: Thomas Obeloer, Bruce Bolliger, Element Six公司 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:CVD金刚石? 散热新材料? 热管理?

不知什么时候,越来越多电子产品开始以“发烧”标榜自己。一开始,“发烧”是想凸显产品的高性能,可到了后来,却变成了消费者调侃产品温度过高的贬义词。

电子产品的性能越高,热管理就越困难,因为随着半导体元器件功率密度不断提高,热通量会越来越大,有些甚至高达数十 kW/cm2,是太阳表面的 5 倍。

这样大的发热量如果不能及时从元器件中导出发散,会严重威胁到电子产品的稳定性,有研究 [1] 表明电子器件中过半数故障均为热量相关问题所致。比如我们最常见的智能手机,虽然已大量采用石墨导热片和航空合金材料,但还是三天两头就看到某某机皇,因“世界最强手机处理器”导致过热烧坏主板一类的新闻……这一切都告诉我们:

随着终端产品对轻薄化和高效化的要求提升,半导体方案的发展方向已不仅仅是提升性能而已,发热量和散热表现也成为半导体设计中相当重要的因素。发热量主要和芯片制造工艺和温度控制算法有关,而散热表现则可以在材料和产品结构上下功夫。

这里要给大家介绍采用化学气相沉积 (CVD) 金刚石,作为全新高级热管理解决方案,它尤其适用于射频功率放大器。CVD 金刚石散热器经证实能够降低整体封装热阻,其性能远超目前其它常用材料。

CVD 金刚石比传统散热材料好在哪?

作为钻石的直系亲属,具有“碳单质”特性的金刚石本事可不小,包括已知最高的热导率、刚度和硬度,同时在较大波长范围内具有高光学传输特性、低膨胀系数和低密度属性。这些特性使金刚石成为能够显著降低热阻的热管理应用材料。

要合成热管理应用所需金刚石,第一步是选择最恰当的沉积技术。微波辅助 CVD 能够更好地控制晶粒大小和晶粒界面,从而生成符合特定应用热导率级别所需的高品质高再现性多晶金刚石。目前,CVD 金刚石已实现商业化,有 1000-2000 W/m.K 不同等级热导率可供选择。CVD 金刚石还具有完全各向同性特征,强化各方向上的热量扩散。图 1 所示为 CVD 金刚石与其它传统散热材料的热导率对比。

借助近期技术发展,CVD 金刚石已实现量产,且成本迅速降低。未经金属化处理的 CVD 金刚石散热器批量生产成本为 1 美元/mm3,价格主要取决于热导率等级。对于 0.25-0.40mm 之间的常见厚度和横向尺寸等于晶片大小的应用,射频器件金刚石散热器尺寸通常小于 5mm3。因此,只需在芯片层面额外附加几美元的增量成本,则可大幅降低系统成本。例如,若能实现系统在更高温度下运行,则冷却子系统的初始成本和之后的持续运行成本均可降低。采用适当的芯片粘贴方法,金刚石散热器可为半导体封装提供可靠的热管理解决方案 [2]。

图1:CVD 金刚石与“传统”散热材料热导率对比 [2, 3]《电子工程专辑》
图1:CVD 金刚石与“传统”散热材料热导率对比 [2, 3]

本文下一页:解决元器件封装散热,总共分5步


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