如今，電子產(chǎn)品的高度集成化與小型化，使得芯片容易過熱，這成為電子產(chǎn)品的“隱形殺手”。同時，芯片面臨嚴峻的散熱挑戰(zhàn)：芯片制程越精細，熱流密度就越大，熱設(shè)計功耗就越高，芯片性能制約就越嚴重，高效熱管理成為制約芯片性能釋放的瓶頸。

        近日，中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所（以下簡稱“寧波材料所”）科研團隊，成功制備出4英寸超薄超平金剛石自支撐薄膜，為克服長期制約芯片鍵合制程的翹曲難題、推動金剛石在芯片熱管理領(lǐng)域的發(fā)展，邁出重要一步。

▲低翹曲超平金剛石自支撐薄膜實物拍攝（正面）

        01金剛石散熱   理想材料的現(xiàn)實瓶頸

        芯片在使用過程中，當內(nèi)部產(chǎn)生的熱量無法有效散發(fā)時，局部區(qū)域會形成“熱點”，導致芯片性能下降，甚至硬件損壞。超過半數(shù)的設(shè)備故障與過熱直接相關(guān)。

        特別是碳化硅、氮化鎵等第三代半導體芯片，當它們在高頻大功率工作環(huán)境下“高強度工作”時，會產(chǎn)生高熱流密度，這讓“通過降低殼體-環(huán)境熱阻”的傳統(tǒng)散熱方案難以為繼。

        金剛石是天生的“散熱冠軍”——它的熱導率超過2000W/m·K，是銅的5倍以上。 

        如果把芯片直接“粘”在金剛石襯底上，能大大降低“近結(jié)熱阻”（芯片發(fā)熱核心到散熱材料之間的熱量傳遞阻力）和“結(jié)溫”（芯片內(nèi)部最關(guān)鍵的發(fā)熱點溫度），就像給芯片核心貼了個“超導冰袋”，這也被視為未來高性能芯片及3D封裝熱管理的理想方案。

        但金剛石薄膜是在其他襯底上“長”出來的，金剛石與襯底間的本征熱膨脹系數(shù)差異及形核、生長工藝適配性問題，導致剝離襯底后的金剛石薄膜翹曲嚴重，無法滿足芯片鍵合工藝對襯底超高平坦度的嚴苛要求。

        這讓金剛石的散熱潛力一直被“封印”。解決襯底翹曲問題是金剛石薄膜應(yīng)用于芯片鍵合的關(guān)鍵。

        02 工藝創(chuàng)新與突破  打通金剛石芯片鍵合制程通道

        寧波材料所研究團隊基于自主設(shè)計開發(fā)的915MHz-75kW微波等離子體化學氣相沉積（MPCVD）設(shè)備，通過技術(shù)創(chuàng)新與工藝優(yōu)化，成功制備出4英寸金剛石自支撐薄膜，薄膜厚度小于100μm。

        該薄膜在自支撐狀態(tài)下，翹曲度可穩(wěn)定控制在10μm以內(nèi)，比常規(guī)工藝制備的金剛石薄膜降低一個數(shù)量級。

        最關(guān)鍵的是，這種超低翹曲度賦予金剛石薄膜超乎尋常的平坦特性，使其能在無外力作用下自發(fā)貼附于玻璃基板，展現(xiàn)出獨特的“自吸附”現(xiàn)象。

        超薄的自支撐結(jié)構(gòu)為封裝設(shè)計帶來了更高的靈活性與多維設(shè)計自由度，在半導體芯片異質(zhì)集成與3D堆疊等先進封裝工藝中展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。

        目前，研究團隊正在為開發(fā)出6英寸以上更大尺寸的超薄、超低應(yīng)力金剛石導熱材料而奮斗，持續(xù)推進和拓展其在AI、射頻等高功率芯片熱管理領(lǐng)域的應(yīng)用。