超硬材料网

       培育钻石打造“终极半导体材料”培育钻石单晶及其制品是实施超精密加工、智能电网等国家重大战略，以及智能制造、5G通信等产业集群升级的重要物质基础，意义重大。尤其是5G通信时代迅速展开，培育钻石单晶材料在半导体和高频功率器件中的应用日益突出。基于培育钻石的半导体技术可以提高功率密度，并为消费者创造更快、更轻、更简单的设备。基于培育钻石的电子产品或将比硅芯片更便宜、更薄，可能成为节能电子产品的行业标准。与此同时，新一代半导体材料及设备也是国产芯片绕开先进制程封锁的重要技术节点。

       相关研究显示，高品质大尺寸超纯CVD培育钻石可用于珠宝首饰、精密刀具、光学窗口、芯片热沉、半导体及功率器件等高端先进制造业及消费领域。随着半导体功率器件对原材料性能要求不断提升，培育钻石优异的物理特性将会为其在特定场景创造出应用空间。

       可用于半导体的培育钻石主要通过微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术路径实现。在培育钻石的各种生产方法中，MPCVD无极放电、无污染、外延可控性强，在大尺寸、高纯度培育钻石制备与掺杂研究方面优势更明显，因此培育钻石半导体材料大多通过MPCVD技术路径。

       CVD法合成培育钻石呈板状，纯净度高，适宜5ct以上培育钻石合成。CVD法培育钻石可通过晶圆拼接方式制作大面积单晶晶圆，作为半导体芯片衬底可完全解决散热问题及利用培育钻石的多项超级优秀的物理化学性能。培育钻石禁带宽度达到5.5eV，由于具有载流子迁移率高、载流子饱和漂移速率大、击穿场强大等性能，基于耐高压、大射频、低成本、耐高温等多重特性，培育钻石被认为是制备下一代高功率、高频、高温及低功率损耗电子器件最有希望的材料，被行业誉为“终极半导体材料”。目前，国内已经开发出相关技术，能获得1～6英寸单晶培育钻石外延 ，相当于能生长出培育钻石晶条，还能切出1～6英寸培育钻石衬底，并且在此基础上能沉积出培育钻石同质外延。

面向5G和新能源时代，培育钻石打造新一代封装基板

       随着5G通讯的迅速发展，5G时代巨大数据流量对于通讯终端的芯片、天线等部件提出了更高的要求，器件功耗大幅提升的同时，引起这些部位发热量的急剧增加。在新能源汽车领域，目前大功率、高电流密度是IGBT芯片的发展趋势，这势必会造成电子元器件过热。研究数据表明，芯片表面温度达到70~80℃时，温度每增加1℃，芯片可靠性下降5%，超过55%的电子设备的失效形式是中温度过高引起的长时间运行累积的热量若不及时散发出去的话，会严重影响5G基站的通讯信号以及其使用寿命。因此，散热是当前5G射频芯片、毫米波天线、无线充电、无线传输、IGBT、印刷线路板、AI和物联网等领域急需解决的问题。

       要解决散热问题，除了采用更高效的冷却技术外，研制出热导率大于400w/( mK )且膨胀系数与半导体材料相匹配的新型轻质电子封装材料迫在眉睫。基板是裸芯片封装中热传导的关键环节。随着微电子技术的发展，高密度组装、小型化特性愈发明显，组件热流密度越来越大，对新型基板材料的要求越来越高，要求具有更有的热导率、更匹配的热膨胀系数以及更好的稳定性。目前，各种新型封装基板材料已成为各大厂竞相研发的热点，其中培育钻石作为新一代基板材料正得到愈来愈多的关注。

       封装基板材料的要求是:高电阻率、高热导率、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。早在1929年德国西门子公司成功研制Al2O3陶瓷后，已成为目前产量最多，应用最广的陶瓷基片，但由于其热膨胀系数 (7.2×10-6/℃) 和介电常数 (9.7) 相对Si单晶而言偏高, 热导率 (15-35W/ (m·K) , 96瓷) 仍然不够高, 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。因此, 开发高热导率、性能更为完善的基片材料成为大势所趋。随之高导热陶瓷基片材料AlN、SI3N4、SiC、培育钻石逐步进入市场之中。

       培育钻石是目前已知自然界中热导率最高的物质，单晶培育钻石的热导率为2200~2600 W/(m.K)，热膨胀系数约为1.1×10-6/℃ ，在半导体、光学等方面具有很多优良特性，其优胜于其他陶瓷基板材料数十倍甚至上百倍的热导率，让许多大厂纷纷投入研究。

       培育钻石是一种热导率很高，散热性非常好的基板材料，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。未来随着材料、器件等各方面问题的不断解决，培育钻石的潜力将逐渐得到开发，满足未来半导体行业的需求，并在半导体封装材料中占据一席之地。