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富士通率先使用了石墨毫微管制作半导体的散热装置

为在下一代的移动通信系统中运用高频、大功率放大器铺平了道路

富士通株式会社,株式会社富士通研究所

东京, 2005-12-05

富士通株式会社和富士通研究所于今天宣布,他们已经成功地在世界上率先开发出了石墨毫微管(1)- 基底的半导体芯片散热装置。利用石墨毫微管作高频大功率放大器的散热装置,可以同时成功地获得散热和高增益的效果。

这一新技术标志着在开发实际利用石墨毫微管优秀的导热性能方面向前迈进了一大步。这一新技术还使得在下一代移动通信系统中使用高性能高频和大功率放大器成为了可能。

这一技术的详细内容将在于12月5日在哥伦比亚特区华盛顿市召开的IEEE国际电子设备大会(IEDM)上进行介绍。这一研究课题是日本新能源和工业技术发展组织(NEDO)委托日本细陶瓷研究中心研究的毫微管应用项目的一部分。

背景

在我们这个信息时代,传送的信息量不断增加。在无线通信领域,移动电话基站中使用的放大器的功率和频率的要求越来越高。由于使用了大功率晶体管,致使高性能放大器的输出源极产生了大量的热量,所以散热就成为了一个极其重要的问题。传统上,热量是通过利用大家熟知的“面朝上结构”(图1)释放的,在这种结构中,大功率晶体管直接通过粘接的切块与晶体管外壳连接,热量通过芯片散出。

技术方面的挑战

利用面朝上结构的较高频率放大器的增益会有所下降。引起这一现象的原因是金属导线的自感应 (2) ,晶体管芯片电极中流出的电流通过导线流到晶体管外壳的电极上。一种解决方案是倒装晶体管芯片,用金子或其它金属制造的短金属凸块 (3) 将芯片的电极和晶体管壳体上的电极连接起来,这就是大家知道的“倒装芯片结构”(图2)。但是,在大功率晶体管的使用中,传统的金属凸块已经证明不适用于散发大功率晶体管所产生的大量热量。由于这些原因的制约,致使人们一直难于开发出即满足高频使用时的高增益,又能充分散热的高性能放大器。

富士通的新技术

富士通的新技术使得高频、大功率放大器即可以同时获得高增益,又可以充分的散热。富士通已经成功地在世界上率先使用了石墨毫微管,因为,这种倒装结构中的凸块(图2和图3)具有优异的导热性能。

主要的技术特性

  1. 增长石墨毫微管的技术。这是一种利用铁催化剂涂层的技术,涂层可以使晶片基底上的石墨毫微管在垂直方向上至少增长到15个微米。通常,需要使用长度至少为10微米的倒装凸块。
  2. 石墨毫微管凸块与倒装晶片连接的技术。利用石墨毫微管微型化加工工艺特性,构成一组微型石墨毫微管凸块晶格,以便与宽度不超过10微米的大功率晶体管微型电极晶格相匹配,富士通成功地将石墨毫微管凸块与倒装晶片连接起来了。

结果

利用这一技术,富士通就能够将石墨毫微管凸块与大功率晶体管的微型电极相连。石墨毫微管具有1400W/(m-K)的导热性能 – 大大高于金属的导热性能 (4) ,而且,由于可以将石墨毫微管基凸块与紧邻的发热微型电极相连,富士通的高增益倒装晶片放大器可以获得与面朝上结构完全相同的散热水平。与传统的面朝上结构相比,对地感应降低了一半以上,因此,在5千兆赫高频以上工作时,增益至少可以提高2分贝。

未来的发展

富士通计划继续降低凸块中的石墨毫微管晶格点的密度,以便能进一步提高散热性能, 为开发利用石墨毫微管凸块的高频、大功率放大器铺平道路。富士通的目标是,在大约三年以后,将这一新技术运用到下一代移动通信基站之中。

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图1:面朝上安装的大功率放大器

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图2:利用石墨毫微管凸块的倒装大功率放大器

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图3:石墨毫微管凸块

更多信息,请浏览


  • [1] 石墨毫微管:

    用被卷成圆筒的石墨(与制造铅笔的材料相同)薄片制造的管子。正如其名称所暗示的,毫微管的直径范围在1到10毫微米,而其长度却比其直径大几千倍。这些石墨毫微管具有出色的物理性能,其中包括强韧的机械强度、化学稳定性、高热传导率、低电阻、大高宽比和允许通过较大的电流密度。

  • [2] 自感应:

    在金属中流动的电流发生变化时感应出的电动势。

  • [3] 凸块:

    在半导体芯片表面上突出的电极,是用蒸发法、电镀法或印刷法形成的。

  • [4] 大大高于金属的导热性能:

    铜的导热率大约为400 W/(m-K),而金的导热率约为300 W/(m-K)。

★ 关于富士通集团

富士通是全球以客户为导向的IT及通讯解决方案的领先供应商。富士通拥有先进技术(Pace-setting)、高度可靠的运算及通讯平台、及全世界的系 统及服务专家,是唯一能提供广泛的解决方案,为顾客的成功开启无限可能的公司。富士通公司(TSE:6702)总部设于东京,2005年3月31日会计年 度结束时收益为4.7兆日元(445亿美元)。欲了解更多信息,请访问网站:http://www.fujitsu.com/

★ 关于富士通研究所

富士通研究所创建于1968年,是富士通株式会社的全资所有子公司,富士通研究所是全世界最首要的研究中心之一。公司在日本、中国、美国和欧洲建立了全球性网络,在多媒体、个人系统、网络、外设、先进材料和电子设备领域开展了范围广阔的基础研究和应用研究工作。欲了解更多信息,请访问网站:http://jp. fujitsu.com/labs/en/


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商标说明:本文中提及的所有的产品与公司名称都是各富士通公司的商标或注册商标。

新闻ID: 2005-12-05
日期: 2005-12-05
城市: 东京
公司: 富士通株式会社, 富士通研究所