摘要：本文針對新一代高導熱半導體材料4H碳化矽晶片，介紹了採用瞬態平面熱源法（HOT DISK法）進行室溫導熱係數測試的整個過程和結果。為了保證測量的準確性，採用同樣是高導熱材料並具有公認導熱係數的紫銅和黃銅薄片對測試方法進行了考核驗證，證明了高導熱碳化矽晶片的導熱係數最終測試結果具有較可靠的參考價值。
一、概述
做為新一代半導體材料的4H碳化矽晶片，其顯著特點之一是具有比銀和銅相近甚至更高的導熱係數，因此準確測量導熱係數是進行熱管理、熱設計和保證產品質量的重要前提。如何實現高導熱薄片材料的導熱係數準確測量，特別是針對高導熱碳化矽這種厚度小於1mm且透明的晶片，這方面的研究和文獻報道極少。本研究的目的是採用成熟且簡單的測試方法和裝置實現高導熱材料工程級別的初步測量，以對4H碳化矽晶片導熱係數能有基本的瞭解。
針對高導熱碳化矽晶片，我們嘗試採用瞬態平面熱源法（HOT DISK法）及其測試儀器對導熱係數進行測試。為了考核驗證測試結果的準確性，我們首先對具有已知公認導熱係數資料的薄板狀紫銅和黃銅進行測試，同時摸索相應的測試引數，然後再對高導熱碳化矽晶片進行測試。以下內容將詳細介紹整個試驗過程。
二、樣品
整個試驗過程採用了4H碳化矽晶片（直徑6英寸，厚度0.512mm）、紫銅和黃銅正方形薄板（邊長100mm，厚度1.5mm），如圖1所示。
圖1 樣品：左為4H碳化矽、中為紫銅、右為黃銅
三、測試方法驗證試驗
首先採用如圖1所示的紫銅和黃銅薄板樣品進行室溫下的導熱係數測試，測試溫度為22℃。紫銅和黃銅薄板為市場上購置的常用紫銅和黃銅材料，公認的導熱係數分別為386.4W/mK和108.9W/mK。驗證試驗如圖2所示。
圖2 紫銅和黃銅導熱係數驗證測試
經過三次重複性測量，得到的導熱係數結果為：
（1）紫銅導熱係數為374.6W/mK，與上述公認值對比的相對誤差為-3.1%。
（2）黃銅導熱係數為106.8W/mK，與上述公認值對比的相對誤差為-1.9%。
從測試結果可以看出，測量結果整體低於公認值，但相對誤差較小，測試結果和測量精度完全可以接受，並由此可以確定出相應的測試引數。
四、4H碳化矽晶片導熱係數測試
經過上述驗證試驗，採用相同的測試引數對4H碳化矽晶片導熱係數進行了測試，試驗測試如圖3所示。
圖3 4H碳化矽導熱係數測試
經過三次重複性測量，得到的導熱係數結果為：400.7W/mK。
如果按照上述紫銅驗證試驗中得到的相對誤差-3.1%進行推算，4H碳化矽晶片導熱係數應該可以達到413.2W/mK。
五、結論
透過上述試驗測量得到了4H碳化矽晶片室溫下的導熱係數，但需要注意的是此測量採用了不一定精確的公認值進行驗證，測量誤差範圍具體是多少並不清楚，只是誤差不會太大，測量結果至少能給出一定的參考。同時，在採用瞬態平面熱源法測試時，不同測試引數會得到完全不同的結果，因此必須採用已知導熱係數材料進行測試引數的選擇和驗證，並且已知導熱係數範圍能覆蓋被測材料導熱係數。
