金剛石熱沉與半導體器件連接技術研究現狀與發(fā)展趨勢

來源/作者：代 文 林正得 易 劍

轉自：集成技術jcjs

本文刊載于《集成技術》2023年第5期

代 文^* 林正得 易 劍

1中國科學院寧波材料技術與工程研究所 中國科學院海洋新材料與應用技術重點實驗室 浙江省海洋材料與防護技術重點實驗室 寧波 315201

基金項目：國家自然科學基金項目(52102055, 5227020331, 52075527)；國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFB0406000, 2017YFE0128600)

引用格式：代文, 林正得, 易劍. 金剛石熱沉與半導體器件連接技術研究現狀與發(fā)展趨勢 [J]. 集成技術, 2023, 12(5): 27-40.

Dai W, Lin CT, Yi J. Research status and development trend of connection technology of diamond heat sink and semiconductor device [J]. Journal of Integration Technology, 2023, 12(5): 27-40.

摘要

半導體器件的集成化和小型化不可避免地導致散熱問題發(fā)生。熱量的持續(xù)累積威脅著電子的性能、穩(wěn)定性和壽命。因此，提高電子器件的散熱能力對其穩(wěn)定運行至關重要。金剛石作為一種高效的散熱襯底，具有眾多無可比擬的優(yōu)勢，越來越受到人們關注。該文綜述了金剛石作為半導體高功率器件熱沉的研究進展，簡要介紹了金剛石與半導體器件的連接方式，總結了金剛石基半導體器件面臨的技術挑戰(zhàn)，展望了其未來發(fā)展方向。

1 引 言

近年來，隨著電子器件性能的快速發(fā)展，有效清除集成電路芯片(如 CPU 和 GPU)產生的熱量對保證系統(tǒng)的持續(xù)、穩(wěn)定和平穩(wěn)運行越來越重要[1-3]。為承擔散熱這一基本任務，將器件的工作溫度維持在一個理想的水平，開發(fā)高傳熱性能的散熱材料成為目前的一個研究熱點[4]。目前，主流的散熱方案主要包括：聚合物基導熱復合材料，如導熱硅脂、導熱墊和導熱凝膠等[5]；以高導熱金屬(銅、鋁、銀、錫等)為基礎的熱管、鑄件和焊料[6-7]；利用液體工質相變運輸熱量的均溫板等[8]。目前，電子器件的功率急劇提高，現有的散熱材料無法滿足高導熱、低膨脹系數、輕質、無污染等方面的需求。

碳材料(如石墨膜、石墨烯和金剛石等)因其超高的熱導率和較輕的重量，可滿足半導體領域對散熱片的需求，現已成為半導體器件散熱的首要選擇之一[9]。然而，石墨烯雖然擁有超高的本征熱導率(800～3 500 W·m^－1·K^－1)，但由于其結構為 sp2 軌道雜化組成的呈六角蜂巢狀的二維晶體，因此，其熱導率存在各向異性，優(yōu)異的傳熱性能只表現在面內方向，垂直方向的熱導率較低[10-11]。同時，高純度的石墨烯片尺寸較小，通常為毫米量級，無法直接使用。通過組裝方式制備的石墨烯紙由于內部存在大量界面，會導致面內熱導率急劇下降至 700 W·m^－1·K^－1 以下，面外方向降至 50W·m^－1·K^－1 以下[12]。此外，通過化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)制備的石墨烯膜，不但成本高，而且膜層厚度較薄，強度差，容易破碎[13]。

金剛石的熱導率在常溫下＞2 000 W·m^－1·K^－1，且因其優(yōu)異的介電性能以及較低的熱膨脹系數等諸多優(yōu)異性能，是目前半導體器件的理想散熱材料[14]。若要使金剛石及其薄膜在半導體散熱領域獲得實際應用，則需解決硅(Si)、碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等半導體器件與金剛石的有效連接問題，這是限制金剛石在半導體散熱領域應用的最大難點[15]。

本文回顧了金剛石與半導體器件連接技術的研究歷程，總結了 Si、SiC 和 GaN 等半導體與金剛石間不同連接方式的特點，以及當前存在的主要問題。此外，探討了 Si、SiC 和 GaN 等半導體與金剛石間連接技術的發(fā)展趨勢，展望了未來可能獲得應用和規(guī)?；a的技術路線。

2 金剛石在半導體散熱領域的

應用現狀

目前，常見的半導體材料有 Si、SiC 和 GaN 等，其熱導率較低，通常不超過 500 W·m^－1·K^－1，而大功率電子器件的功率密度可達 1 000 W·cm^－2，且不同功能區(qū)域之間功率密度的差異會導致芯片內部的溫度分布不均，某些區(qū)域所形成的局部熱點甚至是芯片平均發(fā)熱功率密度的 5～10 倍。因此，需傳熱能力較高的散熱材料將積累的熱量有效導出，而金剛石是目前自然界具有最高熱導率的熱沉材料，有望達到理想的散熱效果。如表 1 所示，金剛石較 Si、SiC 和 GaN 等半導體材料具有諸多優(yōu)勢，例如：金剛石的熱導率超過 Si 材料的 10 倍，此外，與 GaN 相比，金剛石的載流子遷移率和擊穿電場更高。因此，為提高半導體器件的散熱能力，將金剛石片或膜作為熱沉，已被廣泛認為是未來的散熱方案之一[16-19]。無論是單晶金剛石，還是多晶金剛石，其熱導率均遠大于其他襯底材料，可作為替代其他散熱襯底材料的更優(yōu)方案[20-21]。

2010 年，美國率先開始了對半導體高功率器件傳熱散熱的專題性研究，其研究目標是將半導體高功率器件工作時小范圍(100 μm)產生的熱量即時有效地導出，降低器件工作效率的波動，從而達到更高效率的穩(wěn)定輸出。這項研究的一個重要課題是，利用金剛石超高的熱導率以及較低的熱膨脹系數特性，將其作為 GaN 高電子遷移率晶體管(GaN high electron mobility transistor，GaN-HEMT)的散熱基底，研制出輸出功率更大且更穩(wěn)定的金剛石基 GaN 功率器件[22]。如圖 1 所示，通過 CVD 等手段，使 GaN 通道與金剛石盡可能緊密地貼合，以實現兩者較低的接觸熱阻，使器件工作時快速散熱。2017 年，日本富士通公司在 IEEE SISC2017 會議上報道了金剛石連接 SiC 基半導體高功率器件實現高效散熱的成果[23]。該器件的金剛石層與 SiC 的界面熱阻低至 6.7×10^－8 m²·K·W^－1。此外，與沒有金剛石的器件相比，該器件在 10% 脈沖條件下的輸出功率增加了約 30%。2019 年，粒子輸運與富集技術國防科技重點實驗室將 CVD 金剛石膜作為半導體激光器的封裝熱沉，使得器件內部熱阻降低 28.4%，表現出較優(yōu)異的可靠性，從而使器件的電光轉換效率最大值達到 60.6%[24]。Zhao 等[25]利用銀燒結技術實現了大尺寸、高表面粗糙度金剛石和硅基芯片的低熱阻、高強度異質連接。該項研究還利用壓力輔助 Ag 燒結方法，制備了一個大面積(27 mm×28 mm)的 Si 芯片/金剛石散熱器系統(tǒng)。此外，在 10 MPa 的鍵合壓力下，該項研究獲得了較低的接觸熱阻(0.428 mm²·K·W^－1)、較高的剪切強度(＞50 MPa)。

3 金剛石與半導體的連接現狀

若想實現金剛石在半導體器件中的應用，首先要解決金剛石與半導體的連接問題。金剛石與半導體器件的連接方式可分為直接連接和間接連接，如圖 2 所示。直接連接即金剛石和半導體的界面直接相連，間接連接即金剛石與半導體器件之間通過中間層相連。

3.1

金剛石與半導體間的直接連接

金剛石與半導體的直接連接主要通過兩種方式實現：(1)金剛石與半導體間通過沉積工藝實現直接連接；(2)金剛石與半導體間通過低溫鍵合實現直接連接。金剛石具有超高熱導率，若能與半導體直接連接，則可充分發(fā)揮金剛石熱導率高的特性，因此，金剛石與半導體間的直連工藝研究一直是本領域的研究熱點。

3.1.1

金剛石與半導體間通過沉積工藝直連

金剛石與半導體間通過沉積工藝直連有兩種形式：(1)在金剛石襯底上外延沉積 Si、SiC 和 GaN 等半導體；(2)在 Si、SiC 和 GaN 等半導體上外延沉積金剛石膜。

在金剛石上生長半導體器件：制備金剛石和半導體直接連接的器件，一種理想且直觀的方式是在金剛石襯底上直接外延生長一層半導體，然后在此外延層上利用刻蝕等手段制備電子器件。然而，GaN 和 AlN 等氮化物半導體為六方纖鋅礦結構，與金剛石的結構存在較大的差異，晶格不匹配較嚴重，經常導致外延層材料質量不佳，并導致電學性能差，因此，在金剛石上直接生長 GaN 較難[26]。為減少襯底和半導體層的晶格失配問題，Hirama 等[27-28]通過分子束外延(molecular beam epitaxy，MBE)、金屬有機化合物化學氣相沉淀等方式，在單晶金剛石(111)襯底上生長高遷移率的 AlGaN HEMT 異質結構。如圖 3 所示，與傳統(tǒng)的 SiC 襯底相比，金剛石基 AlGaN HEMT 器件在功率密度為 3.2 W·mm^－2 時，溫度降低了 10 ℃。此外，Kuzmik 等[29]研究了單晶金剛石上 MBE 生長 GaN/AlGaN/GaN 結構的自熱效應。該項研究中所生長的金剛石熱導率為 2 200 W·m^－1·K^－1，對外延結構的邊界熱阻＜1×10^－8 m²·K·W^－1。

除晶格失配外，金剛石和 GaN 的熱膨脹系數相差較大，導致 GaN 外延層生長后，樣品冷卻時會產生巨大的拉伸應變，這將導致外延層開裂。該問題在硅外延生長上也存在，但由于金剛石的熱膨脹系數僅為硅的 1/2，因此，該情況在金剛石上更嚴重。此外，外延生長溫度通常需要超過 1 000 ℃ 的高溫，不但會使 Si、SiC 和 GaN 等外延層容易開裂，而且會使金剛石熱沉基板表面石墨化，進一步使金剛石襯底和半導體層的結合力變差，從而容易直接脫落?？偠灾?，在金剛石襯底上直接外延生長半導體器件的方式要進入應用階段尚需較長時間。

在半導體器件上生長金剛石：與上述方法相反，本方法需在制備好的半導體器件上直接沉積一層金剛石膜，由此實現金剛石和半導體器件的直接連接[30-32]，如圖 4 所示。2006 年，Jessen 等[33]首次據此方案在 GaN 背面直接外延生長 25 μm 金剛石層，制備出高效散熱的 AlGaN/GaN HEMT 器件。

此外，在不改變原有襯底的基礎上，直接在 GaN HEMT 器件正面沉積金剛石鈍化層，可提高器件向上散熱的能力，如圖 5 所示。Alomari 等[34]在 750～800 ℃ 的生長溫度范圍內，在 In_0.17Al_0.83N/GaN HEMT 上系統(tǒng)地生長了一層厚度為 500 nm 的金剛石薄膜，并測得器件的最大截止頻率為 5 GHz。此外，雖進行了金剛石的高溫生長過程，但未觀察到 HEMT 直流特性的退化或變化，證明二者的相容性良好。

然而，上述方法不能解決金剛石襯底和半導體器件的熱膨脹適配問題，仍會導致外延層開裂。此外，在 Si、SiC 和 GaN 等半導體上，利用 CVD 工藝沉積金剛石散熱層時，一般需要 700 ℃ 以上的高溫以及高濃度的氫等離子體，而高溫下，氫等離子體會嚴重刻蝕 Si、SiC 和 GaN 等半導體，導致其電學等性能嚴重下降[35]。因此，在 Si、SiC 和 GaN 等半導體結構上生長金剛石的方法難度較大。

3.1.2

金剛石與半導體間的低溫鍵合直連

金剛石和半導體器件的另一種直接連接方式是先利用外延生長工藝在襯底上沉積半導體材料，然后去除襯底，并與金剛石襯底進行低溫鍵合[36]。一方面，該方案避免了直接外延生長需要的高溫，降低了熱膨脹失配導致的高密度位錯；另一方面，該方法不需要沉積金剛石的氫等離子體環(huán)境，避免了半導體器件本征性能的降低。此外，無論是聚晶金剛石，還是單晶金剛石，都可作為低溫鍵合的熱沉基板，這大大降低了制備金剛石襯底的難度。而且，半導體外延層和金剛石熱沉基板因可在鍵合前獨立制備，故可精簡金剛石基半導體器件工藝。

目前，金剛石基半導體器件工藝可在 300 ℃ 以下，甚至室溫，進行器件的直接鍵合，大幅提高了半導體器件的散熱能力。Chao 等于 2013 年首次報道了低溫鍵合工藝，該工藝在 150 ℃ 以下實現了鍵合，最大限度地減少了不同材料之間熱膨脹系數的不匹配[37-39]。如圖 6 所示，在該方法中，GaN 緩沖層厚度減小，成核層被消除，SiC 襯底通過低溫鍵合技術被高導熱性的金剛石代替。通過這種設計使 GaN 器件的熱源在金剛石襯底的 1 μm 內，顯著降低了器件熱阻。該研究以一層 SiN 作為結合界面層，其接觸界面的熱阻低至 2.5×10^－9 m²·K·W^－1 [40]。此外，南京電子器件研究所也開展了 GaN 外延層到金剛石襯底轉移技術的研究，對永久鍵合的溫度、壓力、時間等工藝條件進行了優(yōu)化，解決了鍵合層厚度變薄導致的鍵合質量差及轉移后外延層脫落的問題，成功實現了 3 英寸(1 英寸＝25.4 mm)GaN HEMT 的外延生長，以及將該器件完整轉移至多晶金剛石襯底。通過連續(xù)波直流測試發(fā)現，GaN HEMT 轉移到金剛石襯底上后，器件直流性能未發(fā)生明顯退化，一定程度上說明了轉移過程中的應力控制及鍵合界面熱阻控制取得了成效[41]。

低溫鍵合工藝雖然規(guī)避了外延生長的難點，但是要求金剛石熱沉基板和半導體外延層表面平整、翹曲度小、表面粗糙度低(＜1 nm)，這對目前的加工工藝來說，挑戰(zhàn)較大。此外，金剛石在和 Si、SiC 和 GaN 等半導體直接鍵合時，需施加較大的壓力，但壓力大小和保壓時間等難以有效控制，導致試樣在鍵合過程中易破碎，良品率較低，尤其是大尺寸的試樣，更是難以實現。目前，金剛石和 Si、SiC 及 GaN 等半導體間的直接鍵合工藝還在實驗室探索階段，僅在毫米尺度的小尺寸芯片上獲得過成功，還無法大規(guī)模應用。

綜合來看，上述兩種 Si、SiC 和 GaN 等半導體和金剛石間的直接連接技術存在一系列問題：無法避免外延生長工藝的高溫導致的半導體器件性能和穩(wěn)定性的破壞；金剛石襯底和半導體器件的熱膨脹失配以及高壓大幅度降低了器件的成品率。要想實現 Si、SiC 和 GaN 等半導體與金剛石的直接連接，還有較長的路要走，一些關鍵技術難點待解決。

3.2

金剛石與半導體間的間接連接

Si、SiC 和 GaN 等半導體與金剛石間的間接連接主要通過中間層進行連接，常見的中間層主要是 Sn、Ag 等金屬層。雖然金剛石散熱片最理想的應用方式是與芯片直連，但在現有的直連工藝下，金剛石與芯片間均或多或少存在一些中間界面層。例如：通過沉積工藝直連中的 SiNx 中間層，晶片直接鍵合中的 Si 或 SiC 中間層等。如表 2 所示，這些中間層的熱導率較低，降低了金剛石的散熱效果。與之相比，一些金屬的熱導率較高。利用金屬進行芯片與基板間的連接，進而進行電子封裝，在半導體行業(yè)是一種較成熟的工藝。

軟釬焊：在電子封裝中，軟釬焊是芯片與熱沉基板連接的常用工藝。目前，根據焊料是否含鉛元素，可將焊料分為錫鉛焊料和無鉛焊料[42-43]。出于環(huán)保考慮，目前的錫鉛焊料正被逐漸淘汰。無鉛焊料以錫為基體，添加 Ag、Cu、Zn、In、Bi 和 Au 等金屬元素。目前，錫基無鉛合金的熔點一般低于 230 ℃，對于回流溫度大于 260 ℃ 的芯片封裝工藝而言，釬焊處易開裂和液態(tài)金屬外流產生污染，導致器件損壞。而常見的 Sn-Au 二元共晶合金的熔點約為 280 ℃，對許多芯片而言，焊接溫度過高。因此，目前常用的軟釬焊焊料對于一些要求焊接溫度低、回流溫度高的電子封裝來說，均不合適。

瞬時液相擴散焊：在被連接基體中間，使用一種低熔點的中間層，依靠其擴散，形成高熔點的金屬間化合物，并實現鍵合[44-46]。與傳統(tǒng)連接技術相比，瞬時液相擴散焊由于能夠產生更優(yōu)異的黏結特性，因而受到廣泛關注[47]。然而，此工藝的界面處原子擴散速率較慢，不利于實際應用。目前，利用納米技術降低焊料的晶粒尺寸，可降低晶粒的結合時間，減少擴散層的厚度，起到快速連接的作用。當 Au 的質量百分數為 80%、Sn 的質量百分數為 20% 時(以下簡稱 “Au80Sn20”)，金錫共晶合金的熔點為 280 ℃。因此，對于常見的金錫焊接而言，現有的焊接工藝均在 300 ℃ 下獲得共晶合金 Au80Sn20。對于 SiC 和 GaN 等高溫半導體來說，300 ℃ 的焊接溫度可接受，而對于超高集成度的硅半導體器件而言，則難以接受，必須降低金錫焊的焊接溫度。利用納米技術和真空燒結工藝，瞬時液相擴散焊技術有望實現共晶合金 Au80Sn20 的低溫焊接，即納米 Au 和納米 Sn 在溫度低于 240 ℃ 時發(fā)生反應，生成共晶合金 Au80Sn20，實現芯片的有效連接。因此，改良后的瞬時液相擴散焊技術不僅有金錫焊的優(yōu)點，還降低了傳統(tǒng)金錫焊的熔點和反應時間，有望在未來的電子封裝中獲得重要應用[48-49]。

納米銀低溫燒結：這是一種實現對微米及以下尺度銀顆粒在 300 ℃ 以下進行燒結的技術。根據經典的燒結雙球模型理論，在燒結的初始階段，兩個接觸的球體顆粒會產生燒結頸，并通過短頸部連接。表面張力使凹、凸表面處的蒸氣壓 P 分別低于和高于平面表面處的蒸氣壓 P₀，并可用開爾文公式表達： 。因此，物質會從蒸氣壓高的顆粒凸形表面蒸發(fā)，向凹形頸部遷移和凝聚，從而使頸部逐漸被填充，實現顆粒間的燒結。且顆粒尺寸越小，由曲率引起的燒結驅動力越大。納米銀顆粒擁有極高的比表面積和巨大的表面能，然而，表面能越高，粒子越不穩(wěn)定。因此，粒子間發(fā)生接觸時，原子通過擴散消除表面，以減少總自由能，如圖 7 所示[50]。故納米銀可以在較低的溫度下，以原子擴散的方式，與熱源和散熱基板的表面形成較強的結合力，實現低溫燒結，高溫使用。此外，納米銀晶粒間易相互結合，使晶粒長大，晶界減少，形成良好的導熱通路。近年來，隨著大功率芯片的發(fā)展，納米銀在大功率 SiC 和 GaN 芯片連接方面獲得了較大應用。

納米銀低溫燒結技術起源于 20 世紀 80 年代末期，Schwarzbauer[51]利用商業(yè)燒結銀膏將電子元器件與散熱襯底焊接在一起，此外，還通過施加壓力的方式來降低銀膏的燒結溫度。G?bl 等[52]、Amro 等[53]的研究表明，當施加 40 MPa 的壓力時，焊接溫度可降至 250 ℃，致密度可達 80%，銀膏得到良好的熱、電性能。然而，隨著銀顆粒的尺寸不斷減小，顆粒間的團聚越來越嚴重。此外，銀膏在燒結過程中可能會開裂。因此，除銀納米粒子外，銀膏通常會添加分散劑、黏結劑和稀釋劑等 3 種有機組分。分散劑可減少銀納米粒子的團聚；黏結劑可在一定程度上提高銀納米顆粒的結合力；稀釋劑用于調節(jié)銀膏流動性，適應不同的工況需求。有機溶劑雖有助于燒結，但在燒結中，完全排出較難，易產生孔洞(圖 8)[54]，因此，常需施加壓力，減少燒結時產生的孔隙，并為燒結提供額外的驅動力。然而，半導體功率材料通常無法承受較高的應力，否則會使其出現開裂等情況，降低器件的成品率。實際上，目前的納米銀燒結方案因其高壓需求，僅適用于尺寸小于 4 mm×4 mm 的燒結表面[55]。

為推動納米銀在大面積芯片封裝中的應用，研究者進行了大面積芯片的納米銀連接工藝研究。李元[56]對比了無壓燒結和加壓燒結 10 mm×10 mm 硅試樣的剪切強度，結果表明，1.5 MPa 的壓力可使接頭強度從 18 MPa 升至 35 MPa。但燒結工藝較苛刻，為 265 ℃ 保溫 30 min，這對于大多芯片連接來說，難以接受。楊雪[57]研究了不同壓力和溫度對燒結的影響，發(fā)現溫度和壓力的增加有助于接頭強度的提高，但對于部分芯片連接來說，250 ℃ 和 10 MPa 以上的壓力工藝參數較苛刻。趙柯臣等[58]用納米銀連接了 10 mm×10 mm 的多晶金剛石，通過改變燒結工藝，可較好地排出有機物，但若想獲得較致密化的燒結界面，則仍需加載大于 5 MPa 的壓力。Chen 等[59]利用自制的納米銀焊接了 15 mm×15 mm 的硅芯片，發(fā)現其剪切強度高達 25 MPa，但焊接層的孔洞較大，高達幾微米，且整個工藝較苛刻：250 ℃ 燒結 1 h，并需要研磨拋光。Hirose 等[60]利用還原反應制備了納米銀，實現了金屬間的高強連接，試樣的抗拉強度可達 60 MPa，燒結溫度為 250 ℃，壓力為 5 MPa。

為提高銀膏的燒結性能，研究者在納米銀膏的配方組成和制作過程上進行了較多改進。常浩[61]利用超聲輔助和高速攪拌等手段，制備了銀的質量百分數為 80%～90% 的納米銀膏，但較好的燒結工藝參數為 250 ℃、加壓 5 MPa，并未實現更低的溫度和無壓燒結。熱重分析實驗表明，當溫度大于 250 ℃ 時，試樣有失重，說明接頭處有有機物分解，若想獲得好的結合強度，則銀膏的燒結溫度應大于 250 ℃。

一般來說，大尺寸(＞5 μm)銀顆?；蜚y片燒結出來的銀焊層致密度低，且所需的壓力通常大于 15 MPa，極易損傷器件；中等尺寸(1～5 μm)的銀顆粒焊膏所需的壓力較小(5～15 MPa)，但依然容易損傷器件；而小尺寸的銀膏顆粒尺寸低至幾十納米，燒結后，銀層致密度高，對器件的損傷小[62-69]。目前，銀燒結材料的顆粒尺度正逐漸由微米尺度向納米或微-納米混合尺度方向發(fā)展。K?hler 等[70]用微-納米混合銀膏連接硅芯片和陶瓷基板，結果表明，與納米銀膏和微米銀膏相比，微-納米混合銀膏的孔隙率較低，可在 230 ℃ 實現較好的連接。Yu 等[71]研究了不同尺寸的納米 Ag 顆粒的加壓燒結工藝，結果表明，尺寸較大的 Ag 顆粒在低溫下難以實現燒結，且燒結后熱阻較大，只有燒結溫度≥250 ℃ 時，納米銀才有較好的燒結界面，微觀形貌如圖 9 所示。

從目前的研究來看，大功率 SiC 和 GaN 等芯片的封裝溫度和使用溫度均較高，通常大于 250 ℃，因此，納米銀膏可成功應用于 SiC 和 GaN 等芯片連接。但硅芯片的封裝溫度和使用溫度較低，常規(guī)的納米銀需加壓燒結，且燒結溫度＞250 ℃，無法在硅芯片的連接上使用。針對硅芯片的大面積低溫連接，需開發(fā)低溫低壓，甚至低溫無壓的大面積納米銀燒結工藝。而納米銀的大面積低溫無壓和低溫低壓燒結技術是納米銀燒結工藝中的一大挑戰(zhàn)，也是其研究的熱點和難點。因此，實現低溫低壓，甚至低溫無壓燒結是納米銀在大面積硅芯片領域的應用關鍵，也是未來的研究方向[72]。

4 總結與展望

目前，金剛石熱沉與半導體器件連接技術領域的關鍵是，如何實現高可靠性、高效率、低成本的大面積金剛石與半導體芯片的連接。尤其是在高功率、高溫、高頻、高壓等極端環(huán)境下，如何保證金剛石與半導體芯片連接的穩(wěn)定性和可靠性是一個重大挑戰(zhàn)。當前，就 Si、SiC 和 GaN 等半導體芯片與金剛石的連接而言，無論是直接連接，還是間接連接，均存在不同的問題。在直接連接工藝中，半導體芯片與金剛石的低溫直接鍵合工藝前景較好，但該工藝對金剛石的表面研磨拋光工藝和加壓鍵合設備要求高，就目前的工藝和設備水平，難以做到高良品率，尤其是對 10 mm×10 mm 以上的大面積芯片來說，目前的直接鍵合工藝還不成熟。

在間接連接工藝中，利用瞬時液相擴散焊和納米銀低溫燒結實現半導體芯片與金剛石的間接連接，是現實可行且能工業(yè)化的連接工藝，且和現有的半導體封裝工藝兼容，是目前最有希望能直接規(guī)?；瘧玫墓に嚒Ｈ欢?，現代半導體芯片，尤其是硅芯片的集成度越來越高，封裝溫度越來越低，使現有的瞬時液相擴散焊和納米銀低溫燒結必須向更低溫度和無壓燒結發(fā)展。

為突破這些技術瓶頸，可考慮從以下幾個方面入手：(1)優(yōu)化金剛石表面研磨拋光工藝，探索金剛石熱沉材料的新型表面處理技術，提高直接鍵合工藝的良品率和可靠性；(2)開發(fā)適用于大面積芯片的加壓鍵合設備，通過提高鍵合設備的加壓能力、控制鍵合溫度和壓力等參數，實現高可靠性、高效率的直接鍵合；(3)優(yōu)化間接連接工藝，探索新型間接連接工藝材料，研究新型的瞬時液相擴散焊和納米銀低溫燒結技術，提高連接的穩(wěn)定性和可靠性；(4)推動半導體芯片制造技術的發(fā)展，研發(fā)具有更高溫度穩(wěn)定性和可靠性的半導體芯片，以滿足金剛石熱沉應用的需求。納米技術和超高真空燒結等優(yōu)化工藝將最有可能實現半導體芯片與金剛石的大面積低溫低壓或低溫無壓連接，從而大幅提高這些半導體芯片的散熱能力，為新一代大功率高集成的半導體芯片封裝奠定技術基礎。

從國家戰(zhàn)略發(fā)展角度來看，金剛石熱沉因其一些獨特的物理與化學性質(高熱導率、高耐磨損性、高化學穩(wěn)定性等)，在高功率半導體器件、光電子器件、能源、航空航天等領域具有廣泛的應用前景。加快金剛石熱沉技術的研發(fā)和產業(yè)化將有助于提高國家的前沿技術競爭力和產業(yè)水平，以及推動我國經濟轉型和創(chuàng)新發(fā)展。

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