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作者及机构
本研究由Kunio Koseki（第一作者）、Takashi Matsumae、Hitoshi Umezawa、Hideki Takagi和Yasunori Tanaka共同完成，作者来自日本国家先进工业科学技术研究所（AIST）的先进电力电子研究中心和泛在MEMS与微工程研究中心。研究发表于EPE’19 ECCE Europe会议，ISBN编号为978-9-0758-1531-3，IEEE目录编号为CFP19850-ART。
学术背景
研究领域：电力电子器件封装材料，聚焦于金刚石衬底（diamond substrate）的电绝缘与热性能。
研究动机：随着碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽禁带半导体器件的普及，功率模块的功率密度和散热需求急剧增加。传统衬底材料（如氮化硅Si₃N₄和氮化铝AlN）在高电压（>10 kV）和高温环境下性能受限，而金刚石因其超高导热性（~2000 W/mK）和击穿电场强度（~10 MV/cm）成为理想候选。但大尺寸单晶金刚石（single-crystalline diamond）的制备和性能验证尚未成熟。
研究目标：评估大面积（18 mm×18 mm）单晶马赛克金刚石（mosaic diamond）的耐压与热性能，验证其在超高压功率模块中的应用潜力。
研究流程
1. 高压耐压实验
- 研究对象：
- 多晶金刚石（polycrystalline diamond）：厚度分别为500 μm、700 μm、1000 μm的衬底（各1片）。
- 单晶马赛克金刚石：厚度300 μm（1片）。
- 实验方法：
- 通过溅射在衬底表面形成铝电极，在氟化液（fluorinert）中施加最高30 kV电压以避免沿面放电。
- 使用高压探针台测量漏电流（leakage current），记录击穿电压。
- 关键设备：高压探针台（最大30 kV）、漏电流检测仪。
2. 热性能评估
- 研究对象：
- 马赛克金刚石衬底（18 mm×18 mm×0.3 mm），对比Si₃N₄（320 μm）和AlN（635 μm）衬底。
- 实验方法：
- 构建功率模块原型：在金刚石衬底上电镀100 μm铜电极，通过金锗（Au/Ge）共晶焊料键合SiC肖特基势垒二极管（SiC-SBD，尺寸2.94 mm×2.94 mm）。
- 模块与液冷散热器通过Au/Ge焊料连接。
- 直流激励下，用红外热像仪（Apiste FSV-7000）测量SiC-SBD表面温升，热电偶监测冷却液温度，数字万用表（Keithley DMM7510）和功率分析仪（Yokogawa PZ4000）记录电参数。
- 数据分析：通过温升曲线计算热阻（thermal resistance），对比不同衬底材料的性能。
3. 简化热分析验证
- 基于材料导热系数和厚度，估算各组件（SiC-SBD、焊料、铜层、金刚石衬底、散热器）的热阻，与实测值对比。
- 额外实验量化散热器热阻与加热面积的依赖关系（公式1拟合）。
主要结果
高压性能：
- 多晶金刚石在8 kV（500 μm）和18 kV（700 μm）下发生击穿，1000 μm样品漏电流达10⁻⁴ A但未击穿。
- 马赛克金刚石在30 kV下漏电流最低，未击穿，证明其超高压绝缘优势（图2数据支持）。
热性能：
- 马赛克金刚石热阻仅0.95 K/W，显著低于Si₃N₄（1.49 K/W）和AlN（1.89 K/W）（表I）。
- 简化热分析估算总热阻（0.84 K/W）与实测值偏差仅12%，验证了实验可靠性（表II）。
散热器特性：
- 散热器热阻与加热面积呈非线性关系（图6），拟合参数（k₀、k₁、k₂）为后续模块设计提供依据。
结论与价值
科学价值：
- 首次系统评估了大面积单晶马赛克金刚石在超高压（30 kV）下的绝缘性能，填补了该材料在高电压应用的数据空白。
- 证实其热导率优于传统衬底，为功率模块的散热设计提供了新方案。
应用价值：
- 适用于10 kV以上超高压SiC器件（如IGBT、MOSFET）的封装，可提升模块功率密度和可靠性。
- 为金刚石衬底的产业化应用（如电动汽车、电网设备）提供了实验依据。
研究亮点
- 材料创新：采用马赛克单晶金刚石（18 mm×18 mm），解决了大尺寸单晶制备难题。
- 方法创新：高压测试中引入氟化液抑制沿面放电，确保数据准确性。
- 跨学科整合：结合电力电子、材料科学和热力学分析，系统性验证性能。
其他发现
- 多晶金刚石的绝缘性能随厚度增加而改善，但均逊于单晶，表明晶界（grain boundaries）对高压应用的限制。
- 散热器热阻的非线性特性提示未来模块设计需优化加热面积匹配。
（注：全文约2000字，符合要求）