化學氣相沉積鑽石膜解決熱問題
Dwain A. Aidala, sp3 Diamond Technologies, Inc.
微型化和多功能的電子元件導致工廠生產尋求新的熱管理解決方案。與傳統材料比較，化學氣相沉積鑽石膜(CVD diamond)提供了一種有效的熱分散(heat spreader)方法。厚膜複晶化學氣相沉積鑽石是半導體元件封裝導板的第一優先材料。鑽石膜具有等向熱傳導係數1000~1200W/m-K，其熱傳導係數是銅的3倍，甚至是其他更複雜材料，例如BeO和AlN的5-6倍。鑽石膜由於增加了其在電子及切割工具的許多應用，化學氣相沉積鑽石厚膜的成本已降低。相較於其他熱分散材料，當量產時，化學氣相沉積鑽石厚膜的成本仍然高些。此材料成本是相當的低，約佔1至2%封裝的材料成本。使用鑽石熱分散在多種市場的應用，可提供元件功率和可靠度的改善，所以能持續降低部份元件成本。
廣泛基礎挑戰
許多高科技的應用元件效能的成長因熱問題而受限，這些受限是由於元件的可靠度或穩定度的考量，電子和通訊產業持續與元件的熱管理奮戰。當新技術能完成更小尺寸的元件時，同時小尺寸元件也增加了發熱量從主動電路中移除的困難度。關於一些關鍵性產業的熱問題挑戰如下：
照光：全球照明用市場開始從白熱燈轉為固態照明的應用，這個趨勢受到燈泡壽命、造型和價格所影響。此趨勢早就在消費性電子顯示器市場中出現，目前則於車用市場中進行。因為平面顯示器的成長曲線加速了固態照明的應用，由2006年26吋或更大的平面電視之銷售預測成長將近110%，達3,200萬台。美國能源部門積極性的每瓦流明目標，以白光LED在高亮度LED發光二極體的市場預期到2010年時，可達$108億元。同樣的，雷射二極體也投身於背投影式電視和消費影音的發光元件市場中競爭。
在新的市場中，對於LED和雷射元件而言，熱管理是個關鍵。紅光LED的接面溫度從25℃增高到115℃時，會使其亮度的輸出減少4倍。接面溫度也會影響LED的顏色，綠光LED的顏色受到接面溫度增加的影響最大。Lumileds公司提出每升高10℃的接面溫度時，會導致波長偏移1奈米(nm)，此影響在電視的應用是個關鍵。
通訊：防禦性高密度雷達，最終商業化的應用正逐漸增加高功率元件的熱密度(heat density)。在元件層級的密度目標是500瓦/平方毫米，在封裝層級的目標則是1,000瓦/平方厘米2。在元件和封裝層級，熱管理被一致認為是達成輸出與可靠度的關鍵性挑戰。
功率半導體：在運輸市場轉向電力(油電混合車和電聯車)時，伴隨更高的推動電力，需要更高的效率。功率半導體市場的焦點放在大於500V和50A的元件。當頻率增加時，電晶體模組的尺寸必需微縮50%，這也會增加功率密度。未來持續發展的趨勢與價格影響的熱解決方案息息相關。
程序處理器：程序處理器市場分成兩個部份：一般性程序處理器用於個人電腦(PC)，筆記型電腦(notebook)及伺服器；另繪圖處理器市場用於影視電玩。出人意料的是後者為驅使技術發展。美國於2005年，以超過$105億元的金額用在發展電玩遊戲的軟硬體。當製造業的成本驅使線寬縮小，使得電晶體密度進入新的領域，而應用則驅使更快速的處理器。眾所皆知的是，幾個主要的處理器製造者，因為持續的熱障礙(thermal hurdles)而取消了$40億金額的技術發展，很明顯於封裝和元件層級必須解決的是接面溫度管理的方案。
以鑽石膜技術方案
多種熱問題的挑戰逐漸增加了大家對於鑽石膜化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)技術的興趣。厚膜複晶化學氣相沉積鑽石能提供高的熱導係數和容易金屬化，可用於固態光學元件和半導體封裝元件的首先導板。從鈦(Ti)膜到鑽石膜的使用來達到易金屬化，例如鉑(platinum)或金(gold)。此也可以使用標準的接著劑，如銲料(solder)或環氧(epoxies)樹脂。此外，化學氣相沉積熱鑽石厚膜可以被拋光和雷射切割，使用以往相同的方法和設備做切割和塗佈。
雷射與LED封裝底座
雷射和LED元件工廠使用化學氣相沉積鑽石膜的散熱底座。圖一顯示在雷射封裝中熱分散鑽石膜的整合。根據特定的應用和雷射類型，鑽石膜是個不錯的熱解決方案。其他嚴格的應用，如通訊元件，也許須要主動式熱電冷卻器(thermo-electric cooler，TEC)來維持元件中精準的接面溫度，即使是低價的LED封裝，也有機會使用部份的鑽石膜來強化顏色輸出的穩定性。
高功率LED和雷射有機會取代高功率白熱燈。銅(Cu)曾經因為其導熱性和低價而成為適合的選擇。然而，在消費性產品的應用中，銅卻不足以作為多次發射陣列的使用。以單次發射而言，看不出其差異，但是到達15次發射時，每次發射的功率會增加33%。
化學氣相沉積鑽石膜也可被用於高熱通量的通訊和半導體元件。金屬化的鑽石膜可用於主動元件的接合面或高功率元件封裝用複合材料基板上的鑽石接腳(diamond pin)。
鑽石膜晶圓
應用於高功率元件和處理器之熱管理的一項正在發展的化學氣相沉積鑽石膜技術，就是鑽石膜於矽晶圓(diamond-on-silicon，DoS)上。使用大面積沉積的反應腔，可能生產直徑300-毫米的DoS晶圓，在CMOS製程中以單片處理；或直徑為100-毫米的DoS晶圓用於GaAs或GaN功率元件。如圖三所示，鑽石膜的目的在提供熱擴散以達到快速移除主動元件結構中的熱點與擴大封裝的熱擴散。
化學氣相沉積鑽石膜提供了設計工程師一個如何維持接面溫度和增加輸出功率的選擇；以減少接面溫度與增加元件的壽命及可靠度。
總結
當政府和業界把焦點放在元件效能受制於熱問題時，高熱通量元件的熱管理機會將會持續的增加，或推波助瀾的找出更多取代傳統的解決方案。無論厚或薄的化學氣相沉積鑽石膜，都可以作為解決熱問題的選擇。SST-AP/Taiwan
圖一：雷射封裝中，熱分散鑽石膜的整合。
圖二：鑽石膜針腳被置於高功率組件的封裝用複合材料基板。