集成电路“退热”的材料

帮助集成电路“退热”的材料

从1946年“情人”节那天，在美国费城诞生的标志现代计算机发展史上的里程碑的第一台普通用途的电子管计算机——ENIAC开始，计算机相继经历了电子管、晶体管、集成电路和大规模集成电路阶段，目前已经发展到超大规模集成电路阶段，在米粒大小的硅片上，可以装上15万6千只晶体管，放在显微镜下观察，它就像一座“电子城市”，那密密麻麻的电子电路，就像一块块街区;纵横交错的导线，就像一条条马路。科学家们推测，不久的将来，还有可能在米粒大小的硅片上制造几亿个晶体元件呢！

在计算机发展过程中，如何散热一直是个令人头痛的大问题。在高密度的集成电路“电子城市”里，散热问题显得极为突出。统计性分析表明，电子产品失效原因中，55％是热所造成的。如果让集成电路一直处于“高烧”状态，就会损坏集成电路里面的“五脏六腑”，导致工作不稳定、使用寿命缩短甚至直接导致件烧毁。要从根本上解决问题，必须彩新材料，为此，研究高热导率材料是解决电路散热问题的最有效途径在。

作为集成电路的散热材料，一是要有高的导热性能，二是要具有电绝缘性质。一般绝缘体的导热能力小，但也有特殊情况，如金钢三石，但它的价格非常昂贵，不宜用作高热导率陶瓷材料;氧化铍导热性能也不差，但属于高毒性物质，对人体的危害较大。所以，目前用于制造高热导率电绝缘陶瓷材料的主要集中在几种氮化物陶瓷——六方氮化硼（BN）和氮化铝（AIN）陶瓷。

六方氮化硼和氮化铝陶瓷之所以热传导好，与它们的分子结构有关，它们的晶体结构简单，结构单元的各类较少，原子量或平均原子量较低，从而降低了对热量传导的干扰和散射而使热导率增加。

六方氮化硼陶瓷具有良好的介电性，特别是在高温下并不降低多少，是陶瓷中最好的高温绝缘材料，这使得它在大规模集成中得到越来越广泛的应用。目前六方氮化硼还用来制作耐高温、高导热、高绝缘、耐腐蚀等部件，如火箭燃烧室内衬、宇宙飞船的热屏障。

氮化铝是新一代高导热氮化物陶瓷，它也是平均原子量较低的二元化物，因而热导率很高，尤其是随着温度的升高热导率降低缓慢，它们热膨胀系数与半导体硅材料相近，成为较理想的半导体封装用基板材料，在新一代大规模集成电路、半导体模块电路、大功率器件中获得广泛应用。

近几年来，科学家发现氮化硅陶瓷（Si3N4）也具有高热导材料的特征，氮化硅陶瓷与氮化铝陶瓷相比，具有不可替代的优势，氮化硅陶瓷强度和韧性大约是氮化铝陶瓷的两倍，绝缘性及热膨胀系数都相当。另外，理论计算和实验研究均表明，氮化硅陶瓷材料在抗急冷急热性能方面比AIN具有绝对的优势。在导热性能的情况下，氮化硅优良的力学性能保证了氮化硅陶瓷基片即使做得更薄，仍能满足强度的要求，而且成本也低，因此它正在成为新的研究热点，有望在不将来发挥其在半导体电子封装材料方面的作用。

随着集成电路向规模化和超大规模化发展，IC芯片电路密度增加、功率提高，对材料的热导、介电性能、热膨胀系数等提出更高的要求，氮化硼、氮化铝和氮化硅等氮化物陶瓷以其优异的导热性能，正在微电领域崭露头角，面禀高技术领域的宠儿。在发展、技术在演变，高导热材料的研究和发展方兴未艾，它一定会在人类未来的生产和生活中大展宏图，让我们翘首期待吧！