如今，如何更有效地散熱限制了大多數高功率模擬設備的性能。在目前所知物質中，金剛石具有最高的熱導率，許多高性能應用試圖將金剛石材料結合到IC基板或封裝中以改善散熱性能。在本文中，我們總結了許多利用金剛石材料的開發項目和現有產品，涵蓋了三個主題：金剛石基GaN、金剛石無源器件和金剛石封裝。

       金剛石基GaN

       TriQuint（現為Qorvo）于2013年4月宣布與布里斯托爾大學、Group 4實驗室和洛克希德·馬丁公司合作，在美國國防高級研究計劃局（DARPA）的近結熱傳導（Near JunctionThermal Transport，NJTT）項目資助下，生產出了第一批金剛石基GaN晶圓制成的高電子遷移率晶體管（HEMT）。NJTT是DARPA嵌入式冷卻計劃的第一項計劃，其中包括ICECool基礎和ICECool應用程序研發項目。NJTT使用各種冷卻技術專注于晶體管結點附近的器件熱阻。

       這項工作的結果表明，器件散熱效果提高了三倍，同時保留了RF性能。這種改進歸因于這種金剛石基的GaN工藝的熱阻降低了40％，仿真結果表明功率放大器的柵極密度（或輸出功率）增加了約3倍1。現在，Qorvo與DARPA和洛克希德·馬丁公司在SiC基GaN晶體管的微流體冷卻技術上繼續開展合作。

       與此同時，雷神公司一直在同一個DARPA項目下工作，并開發出了一種在金剛石基板上通過蝕刻實現冷卻通道的方法，再將金剛石基板與晶圓連接，避免了在金剛石基板上生長GaN的一些加工問題，同時可以增加液體冷卻。雷神公司使用乙二醇/水冷卻劑流過100微米的通道流過HEMT高溫區域2。雷神公司對SiC基GaN進行薄化處理，并將其連接到蝕刻著冷卻通道的金剛石基板上。冷卻通道具有高縱橫比，利用高通道可以實現冷卻面積的最大化。

       雷神公司展示了一款寬帶連續波（CW）放大器，其輸出功率和功率密度是目前用于下一代電子戰（EW）系統的基準放大器的3.1倍和4.8倍2。在未來幾年內雷神公司計劃將ICECool技術從實驗室推出投入生產。

       2017年，富士通公司和富士通實驗室宣布開發出第一種在室溫下將單晶金剛石鍵合到SiC基板上的技術。這克服了之前在非常高的溫度下進行GaN與金剛石鍵合時的最大挑戰之一：由于熱膨脹系數（CTE）的不匹配而導致的晶片彎曲。

       通過用極薄的金屬膜保護金剛石表面，富士通成功地防止了損傷層的形成，并通過“室溫鍵合”技術將單晶金剛石鍵合到SiC襯底上。使用實際測量的熱參數進行仿真確認使用該技術的器件熱阻將降低至現有的61％。該技術保證了GaN功率放大器在應用于氣象雷達等系統時能夠以約1.5倍的更高功率工作。

       2017年3月，RFHIC宣布他們已從元素六公司收購了金剛石基GaN技術，并計劃在2018年底前將該工藝商業化。自2016年以來，他們一直在使用金剛石基GaN技術，并在其聲明中稱“在可預見的未來，RFHIC將與元素六和代工合作伙伴密切合作，實現10,000個6英寸金剛石基GaN的年產出。RFHIC的技術路線圖是在2018年底前發布覆蓋40 GHz的金剛石基GaN解決方案。”

       參考文獻

       1.       F.Ejeckam, D. Francis, F. Faili, F. Lowe, J. Wilman, T. Mollart, J. Dodson, D.Twitchen, B. Bolliger and D. Babic, “GaN on Diamond: The Next GaN,” MicrowaveJournal, May 12, 2014.

       2.       C.Adams, “Beating the Heat for Emerging Electronics,” Avionics Today,April/May 2018.

       高性能金剛石基GaN放大器的商業化之路

       RFHIC，韓國

        多年來，由于優異的熱導率（1500 W/mK），金剛石已被許多研究人員和公司用于散熱器應用。研究表明，與標準的SiC基GaN相比，使用金剛石散熱器，射頻性能將提高20％。

       2014年，元素六（Element Six）收購了Group 4公司，目標是改善金剛石基氮化鎵（GoDi）外延片性能，主要是化學氣相沉積（CVD）金剛石層的質量和熱特性。CVD金剛石沉積工藝的顯著改善使得許多研究人員成功地利用金剛石作為襯底將GaN晶體管的功率密度提升了三倍1。

       隨著整個市場對不斷提高的功率密度、更小的外形尺寸和更好的射頻性能的需求的增加，RFHIC在2016年與Akash Systems合作，從元素六獲得了與GoDi技術相關的知識產權。圖1為4英寸的GoDi外延片照片。該工藝涉及去除硅基GaN晶圓的硅襯底的相關技術，采用該技術可以使CVD金剛石層直接沉積在GaN表面上。

圖1：4英寸金剛石基GaN晶圓

       過去研發和報道的GoDi HEMT器件表現出優異的熱性能和射頻性能，但大多數工作都使用小晶圓（小于4英寸）進行制造。在RFHIC的代工合作伙伴的幫助下，現在可以實現全自動4英寸GoDiHEMT的制造。利用標準SiC基GaN工藝流程，只需做極少的工藝修改就可實現GaN HEMT的工藝生產流程。由于GoDi HEMT晶圓很薄（約120μm厚），因此必須開發出能夠承受各種工藝的特殊載體鍵合技術。

       由于金剛石是最硬的自然物質，因此無法使用標準刀片或蝕刻工藝進行劃線和鉆孔。因而RFHIC開展了利用激光劃線和鉆孔的研究。RFHIC成功地利用激光鉆孔實現了60微米寬槽。RFHIC還在研究開發新的等離子蝕刻工藝，該工藝可顯著提升鉆孔工藝。

       目前，4英寸晶圓正處于加工的最后階段，2018年6月將獲得測量結果。后續文章將報道這些研究工作的詳細結果。

       參考文獻

       1.    F. Ejeckam, D. Francis, F. Faili, D.J.Twitchen, B. Bolliger, J. Felbinger and D. Babic, “S2-T1: GaN on Diamond: ABrief History,” Lester Eastman Conference on High Performance Devices,August 5-7 2014, DOI: 10.1109/LEC.2014.6951556. INSPEC Accession Number:14775316.

       2.    M. Wu, D. Hou and W.S. Lee, “Fabrication of4-in. GaN/Diamond HEMT in a Compound Semiconductor Foundry,” CS Mantech2018, Austin, Texas.

       應用于衛星通信的高效散熱金剛石基GaN功率放大器

       Felix Ejeckam, Ty Mitchell, Kris Kong andPaul Saunier, Akash Systems Inc., San Francisco, Calif.

        最先進的商用衛星以100至200 Mbps的速率向地球傳輸數據；一些先進的大型衛星的理想目標是1到4Gbps。這些數據速率基本上受制于發射機的射頻功率放大器。Akash正在建造首個小型衛星系統（12U），預計下行數據速率為14 Gbps。下一個演示將實現超過100 Gbps的數據速率。最終的技術目標是通過使用金剛石基GaN RF功率放大器，在中型衛星上實現1 Tbps的下行鏈路數據速率。

        金剛石基GaN

       Akash Systems公司的聯合創始人Felix Ejeckam于2003年發明了金剛石基GaN1，實現了從GaN晶體管中最熱的位置有效提取熱量。基本概念是較冷的GaN放大器可以使系統更節能、更少浪費。在金剛石基GaN晶圓上，GaN溝道或外延從其原始Si襯底上剝離并通過35nm的SiN界面層結合在CVD金剛石襯底上。這種納米級的200℃的GaN溝道與具導熱性的工業材料CVD金剛石相結合，大大降低了放大器襯底與通道之間的溫度上升。圖2顯示了在金剛石晶圓上制造GaN的工藝流程。多年來，多個研究機構量化了上述熱改進2。SiHEMT晶片上的GaN與臨時Si載體結合。蝕刻掉原始的Si襯底，然后通過GaN下面的35nm界面層CVD沉積金剛石。最后，蝕刻掉臨時Si載體。然后將最終的金剛石基GaN晶圓加工成HEMT或MMIC陣列。

圖2：金剛石基GaN的工藝流程

       系統影響

       與SiC基GaN相比，如果GaN MMIC的溫度升高可以減小40％到50％，那么可在更小的體積內獲得更大的功率密度3。功率是衛星下行鏈路數據速率預算中的直接參數；如果有更多的電能，就可以傳輸更多的信息。金剛石基GaN可以在非常緊湊的空間內放寬冷卻要求，因為環境溫度可以比典型的SiC功率放大器系統上升得更高，而不會影響性能或可靠性。冷卻裝置的減少也意味著減輕重量和尺寸，這也是將衛星系統發射到軌道所花費成本中的關鍵因素。

        性能

       Akash設計人員最近在K波段上展示了高性能金剛石基GaN晶體管（即簡化功率放大器），在20 GHz時具有60％的功效（PAE）（見圖3）。在由DARPA資助并由喬治亞理工學院、斯坦福大學、加州大學洛杉磯分校和元素六公司的一組研究人員執行的另一項工作中，與SiC基GaN的相同器件相比，金剛石基GaN器件的溫度從GaN通道到基板底部的溫度變化減少了80℃。這項工作使用的晶圓與Akash Systems使用的是同一金剛石基GaN工藝。

圖3：一個2.9 W (5.6 W/mm) HEMT樣片可以達到61%的功效，此時增益為7.9dB。偏置電壓為24V。

       圖4給出了對于金剛石晶片上的各種類型的GaN，從10指HEMT的中心到邊緣的通道的溫度分布。Akash Systems使用“具有低熱邊界電阻（TBR）的梯度金剛石”工藝實現金剛石基GaN晶圓（綠色）。該曲線記錄了152℃的峰值溫度（第一個峰值）。在同一位置，SiC基GaN器件的溫度為232℃2。

圖4：圖表顯示了對于金剛石晶片上的各種類型的GaN，從10指HEMT的中心到邊緣的通道的溫度分布。

       Akash Systems公司計劃于2019年發射一個LEO軌道24千克12U的（36厘米x 24厘米x 23厘米）衛星系統，它將包含一個基于金剛石基GaN功率放大器的20瓦無線電發射機。該系統將實現里程碑意義的14 Gbps數據速率，對于這樣尺寸的衛星系統來說是絕無僅有的。

       參考文獻：

       1.       F.Ejeckam, D. Francis, F. Faili, D.J. Twitchen, B. Bolliger, J. Felbinger and D.Babic, “S2-T1: GaN on Diamond: A Brief History,” Lester EastmanConference on High Performance Devices, August 5–7 2014, DOI:10.1109/LEC.2014.6951556. INSPEC Accession Number: 14775316.

       2.       L.Yates, A. Sood, Z. Cheng, T. Bougher, K. Malcom, J. Cho, M. Asheghi, K.Goodson, M. Goorsky, F. Faili, D.J. Twitchen and S. Graham, “Characterizationof the Thermal Conductivity of CVD Diamond for GaN on Diamond Devices,” CompoundSemiconductor Integrated Circuit Symposium (CSICS) 2016 IEEE, pp. 1–4.

       3.       G.D.Via, J.G. Felbinger, J. Blevins, K. Chabak, G. Jessen, J. Gillespie, R. Fitch,A. Crespo, K. Sutherlin, B. Poling, S. Tetlak, R. Gilbert, T. Cooper, R.Baranyai, J.W. Pomeroy, M. Kuball, J.J. Maurer and A. Bar-Cohen, “Wafer-ScaleGaN HEMT Performance Enhancement by Diamond Substrate Integration,” 10th InternationalConference on Nitride Semiconductors, August 25-30, 2013, Washington, D.C.

       高功率金剛石無源器件

       超小型高功率金剛石射頻電阻器

       Smiths Interconnect, Stuart, Fla.

       在過去的幾十年中，氧化鈹（BeO）和氮化鋁（AlN）已成為高功率射頻電阻器的首選基板材料。這些陶瓷材料具有較高的熱導率，足以滿足許多應用；然而，由于設計人員在追求更高頻率的同時面臨著許多SWaP-C（尺寸、重量、功率、成本）挑戰，BeO和AlN基板通常并不合適。為了尋求替代技術，射頻工程師已轉向使用基于CVD金剛石的組件來實現這些需求。

       CVD金剛石是使用化學氣相沉積工藝生產的單晶碳基底材料。從結構上看，2型合成CVD金剛石基板就像天然金剛石一樣，可以與常規射頻基板材料采用類似工藝加工形成電路。Smiths Interconnect的CVD金剛石薄膜的新進展通過在CVD金剛石基板上濺射氮化鉭（TaN），從而形成了一系列超小型、高性能的電阻器、匹配器和衰減器，稱為金剛石射頻電阻器（Diamond RF Resistives）。導體材料也被濺射到CVD金剛石上，以形成共晶焊料和引線鍵合焊盤，使這些電路可以方便地實現如表面貼裝、芯片綁定以及法蘭等多種安裝方式。

       在薄膜材料和芯片下方的接地平面之間會產生電容。由于基板尺寸與電容值之間直接相關，典型的CVD金剛石薄膜電阻器耗散相同熱量下占用面積減少了8倍（見圖5）。此外，由于電容水平與高功率/高頻性能的關系，使用這種材料制造的元件不僅在每平方毫米更高的頻率下展示出高功率處理能力，而且還表現出更低的寄生性能，即更好的隔離。例如，在CVD金剛石基板上制造的單個0402電阻器可以消耗20 W功率的連續波和200 W功率的脈沖。

圖5：金剛石電阻器。

       當前受益于該技術的應用包括先進的Wilkinson功分器/合路器、隔離器、雙結環行器/雙工器和放大器反饋網絡。作為空間系統的關鍵因素，雷達和無線基礎設施繼續推動無源電阻器的性能提升。未來幾年，Smiths Interconnect將在射頻微波系統的各個方面繼續為工程師提供基于CVD金剛石基板的新型金剛石電阻器以及SWaP-C解決方案。

       化學氣相沉積金剛石無源器件

       Res-Net Microwave, Clearwater, Fla.

        化學氣相沉積法合成的金剛石具有出色的熱導率，是銅的三至四倍。另外，化學氣相沉積金剛石的低介電常數使它成為高頻率和高功率應用中極好的射頻介質材料。化學氣相沉積金剛石和標準的陶瓷基板的功率密度對比在圖6中給出。

圖6：化學氣相沉積金剛石和標準陶瓷基板的功率密度對比。

       化學氣相沉積金剛石的機械特性和電特性都非常適合用來制作無源器件，比如電阻器、負載和衰減器。利用化學氣相沉積材料和現成的薄膜處理技術，這些無源器件可以經受最有挑戰性的空間環境。因此，這些器件被用于許多航空航天、軍事和商業應用中。

       化學氣相沉積材料的高熱導率使得小型芯片的設計成為可能，這些小型器件可以工作在40GHz以上并保持10瓦以上的連續功耗。此外，對于連續波應用，這些無源器件也非常適用于脈沖功率應用。Res-Net制造了金剛石電阻器、負載和衰減器。樣品電阻器的頻率范圍包括從直流到30GHz，直流到30GHz范圍內最大功率20瓦，直流到18GHz范圍內最大功率150瓦。負載范圍覆蓋直流到25GHz，直流到16GHz時最大功率300瓦，直流到25GHz時最大功率50瓦。

       金剛石基封裝

       用于氮化鎵器件的鋁-金剛石金屬基散熱器

       Kevin Loutfy, Nano Materials International Corp., Tucson, Ariz.

       高功率射頻和微波晶體管長期使用各種高導熱率材料作為基板材料和熱載體，包括熱導率為400W/mK的銅、銅-鎢（200W/mK）、銅-鉬（250W/mK）以及銅-鉬-銅（350W/mK）。對于氮化鎵器件，導熱系數高達400W/mK的碳化硅是大多數高性能器件的基板材料。

       然而，工業級合成金剛石的導熱系數要高很多，范圍從1200W/mK到2000W/mK，這使得被消除的熱量比其他任何材料都多。近年來，氮化鎵器件生產廠家對氮化鎵分立器件和MMIC器件作為基板和散熱片顯著提高的性能越來越感興趣。目前，在金剛石基板上使用氮化鎵的器件不多，但由納米材料國際公司（NMIC）生產的鋁合金-金剛石金屬基復合材料（MMC）在各種不同種類的金屬基復合材料上的應用越來越廣泛（如圖7）。

圖7：不同尺寸的鋁-金剛石MMC。

       鋁-金剛石MMC散熱器位于模具或封裝的下面，無論基板材料的導熱系數是不是大約500W/mK均可以使用。鋁-金剛石可以在壓合工藝中有效發揮作用，其產量相當于甚至優于傳統的散熱器材料。NMIC的鋁-金剛石復合材料采用的是一種滲入到工業級金剛石顆粒封裝中的鋁合金合成物。

       金剛石可以提供優異的導熱性，鋁提供結構和CTE分配，以及非常光滑的表面，在頂部和底部作為碳化硅堆疊連接面。NMIC生產鋁-金剛石復合材料的工藝流程如圖8。滲透過程產生的鋁-金剛石板，稱為“母板”，從母板上切割多個零件，用鋁-金剛石復合材料進行尺寸優化，以滿足零件尺寸要求，這就減少了母板在切割過程中產生的廢料。然后這些零件被鍍鎳和鍍金以生產最終產品。開發過程中存在一定的挑戰，與兩種材料之間的接觸面有關。為了解決這個問題，NMIC提出一種技術用于將金剛石的表面轉化成碳化硅，這項技術已被該公司申請專利。

圖8：NMIC的鋁-金剛石MMC的生產過程。

       在過去的幾年里，這個生產過程已經變得非常有特色，鋁-金剛石復合材料都是低成本高效益的，并且可以在大尺寸如45mm×45mm應用，遠大于其他金剛石基替代品，那些替代品的應用均受限于其尺寸或厚度。客戶在高可靠性和太空級應用場景中的密封包裝和非密封包裝時均可使用該復合材料，這些應用場景都有嚴格的熱循環要求。

       除了高熱導率，穩定的CTE對于一個連接到晶體管封裝上的材料來說也是必不可少的。鋁-金剛石的CTE與其他工程材料的CTE相等，但在尺寸較大的情況下，鋁-金剛石的穩定性使其脫穎而出，其CTE為6.5-7.5ppm/K，接近氮化鎵。

       在短短幾年時間里，對鋁-金剛石復合材料的改進使這項技術變成了一種能夠替代其他散熱材料的技術。它利用了金剛石固有的高導熱率，同時還可以大量制造和提供比單獨金剛石更好的CTE性能。

       用于氮化鎵太空應用的金剛石-銀復合封裝

       Richard Mumford，《Microwave Journal》國際編輯

       作為歐盟Framework Programme 7的一部分，從2010年10月1日至2012年3月31日開展的先進氮化鎵封裝項目的目標是太空應用，使歐洲能夠在競爭激烈的航天工業中保持強大的地位。布里斯托爾大學、Plamsee SE、聯合單片半導體公司和Thales Alenia Space在合作成果中，強調了對金剛石-銀基板材料的研究1。提出了一種新型的氮化鎵電子器件封裝方案，用于高效提取高功率器件所需的熱量，首次說明了以金剛石-銀復合材料作為封裝基板對氮化鎵器件自加熱的影響。

       由銀合金基體中的金剛石顆粒組成的金剛石-銀復合材料在室溫下具有高達650W/mK的優異導熱率，且CTE接近半導體材料，明顯大于傳統封裝材料如CuW的導熱率。

       在這項研究中，在AlGaN/GaN多叉指HEMT（18叉指的電源板）上進行了微拉曼熱成像測量，以確定不同功率水平下的器件溫度。該裝置通過使用標準的AuSn焊料連接到金剛石-銀復合材料和CuW基板上。為了評估兩種材料在熱管理效率方面的差異，圖9給出了不同功率值時器件中心叉指處拉曼測量的溫度。即器件峰值溫度升高，而背后的基板溫度保持在25攝氏度。

       圖9：AlGaN/GaN HEMT器件（18叉指電源板）焊接到金剛石-銀復合材料和CuW基板時，中心叉指的峰值溫升與耗散功率的函數關系。

       安裝在金剛石-銀復合基板上的器件的峰值溫度大約是安裝在CuW基板上的器件的峰值溫度的一半，特別是在高功率情況下，這是器件工作的標準。外面叉指的溫度也有同樣的趨勢。然而由于串擾效應，中心叉指的溫度更高。

       此外，從熱提取的角度來看，也存在明顯的改善，對設備可靠性和系統需求有明顯的好處。該裝置的三維有限元模型被建立起來進行仿真，并與實驗數據進行了對比。仿真結果與實驗結果吻合較好。圖10展示了與CuW基板上的溫度分布相比，整個裝置上的金剛石-銀的溫度分布。同樣的，在鍍金剛石-銀復合材料的設備中，溫度有明顯降低。

       圖10：耗散功率為30W的AlGaN/GaN HEMT（18叉指電源板）溫度分布。（a）焊接在CuW基板上的器件；（b）焊接在金剛石復合材料基板上的器件1。

       該項目的最終報告稱：“L波段HPA已經取得了最先進的成果，反映了基板材料對射頻功率模塊的強大影響。在L波段可以獲得高達65%的PAE以及180W的射頻功率，而無需調整使用金剛石-銀基板材料的功率模塊。對于CuW標準微封裝的類似設計，PAE的增益約為10個點。”

       參考文獻

       1.M. Faqir, T. Batten, T. Mrotzek, S. Knippscheer, L. Chalumeau, M. Massiot, M.Buchta, J. Thorpe, H. Blanck, S. Rochette, O. Vendier and M. Kuball, “NovelPackaging Solutions for GaN Power Electronics: Silver-Diamond CompositePackages,” CS MANTECH Conference, May 2010。