如今，電子產品的高度集成化與小型化，使得芯片容易過熱，這成為電子產品的“隱形殺手”。同時，芯片面臨嚴峻的散熱挑戰：芯(xin)片制程(cheng)越(yue)精細，熱(re)流密(mi)度就(jiu)越(yue)大，熱(re)設計功耗就(jiu)越(yue)高(gao)，芯(xin)片性能制約(yue)就(jiu)越(yue)嚴重(zhong)，高(gao)效熱(re)管理成為制約(yue)芯(xin)片性能釋(shi)放的瓶(ping)頸(jing)。

        近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所（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(bo)膜(mo)，為(wei)克服(fu)長期制約芯(xin)片鍵(jian)合制程的翹曲(qu)難題、推動金剛石在芯(xin)片熱管理領域的發展，邁出重要一步。

▲低翹曲(qu)超平金(jin)剛石自支撐薄膜實物拍攝（正面）

        01金剛石散熱   理想材料的現實瓶頸

        芯(xin)片在使(shi)用過(guo)(guo)程(cheng)中，當內部產生(sheng)的(de)熱量無法有效散發時，局部區域會形(xing)成“熱點”，導致芯(xin)片性能下降，甚至硬件損壞(huai)。超(chao)過(guo)(guo)半數的(de)設(she)備故障與(yu)過(guo)(guo)熱直接相關。

        特別是碳化硅、氮化鎵等(deng)第(di)三代半導體(ti)(ti)芯片，當它們在高頻大功率工(gong)作(zuo)環境下“高強度工(gong)作(zuo)”時，會產生(sheng)高熱(re)流密度，這(zhe)讓“通過降低(di)殼體(ti)(ti)-環境熱(re)阻”的傳統散熱(re)方案(an)難(nan)以為繼。

        金剛(gang)石是天(tian)生的(de)(de)“散熱冠軍”——它的(de)(de)熱導率超過2000W/m·K，是銅的(de)(de)5倍以上(shang)。 

        如果把芯(xin)(xin)片直接“粘”在金剛石襯底上，能(neng)(neng)大大降低(di)“近結(jie)熱(re)(re)(re)(re)阻(zu)(zu)”（芯(xin)(xin)片發熱(re)(re)(re)(re)核心到散熱(re)(re)(re)(re)材(cai)料之間的熱(re)(re)(re)(re)量(liang)傳遞阻(zu)(zu)力）和“結(jie)溫”（芯(xin)(xin)片內(nei)部(bu)最關鍵的發熱(re)(re)(re)(re)點溫度），就(jiu)像給芯(xin)(xin)片核心貼了個“超(chao)導(dao)冰袋”，這也被視為未來高性(xing)能(neng)(neng)芯(xin)(xin)片及(ji)3D封(feng)裝熱(re)(re)(re)(re)管理的理想方案。

        但金剛石(shi)薄膜(mo)是在其他(ta)襯底(di)上(shang)“長(chang)”出(chu)來(lai)的，金剛石(shi)與襯底(di)間的本征熱膨脹(zhang)系(xi)數差(cha)異及(ji)形核、生長(chang)工藝適配(pei)性問題，導致剝離襯底(di)后的金剛石(shi)薄膜(mo)翹曲嚴重，無(wu)法滿(man)足芯片鍵(jian)合工藝對襯底(di)超高平坦度的嚴苛要求。

     ;   這讓(rang)金(jin)剛石(shi)的散熱潛力一直被“封印”。解決襯底翹曲問(wen)題(ti)是(shi)金(jin)剛石(shi)薄膜應用于芯片(pian)鍵(jian)合的關鍵(jian)。

        02 工藝創新與突破  打通金剛石芯片鍵合制程通道

        寧波(bo)材料所研究團(tuan)隊基(ji)于(yu)自主設(she)計(ji)開發(fa)的(de)915MHz-75kW微波(bo)等離子體(ti)化(hua)學氣(qi)相沉積（MPCVD）設(she)備，通(tong)過(guo)技術(shu)創新(xin)與工藝(yi)優化(hua)，成功制備出4英寸金剛石(shi)自支撐薄膜，薄膜厚(hou)度小于(yu)100μm。

        該薄膜在自支撐狀態(tai)下，翹曲度(du)可穩定控制在10μm以內(nei)，比常規工藝制備的金剛石薄膜降(jiang)低一(yi)個(ge)數(shu)量級。

        最關鍵的(de)(de)是，這種超低翹(qiao)曲度賦予金剛石薄膜超乎尋常的(de)(de)平坦特性(xing)，使其能在無外力作用下自發貼附(fu)于(yu)玻璃基板，展現(xian)出獨特的(de)(de)“自吸附(fu)”現(xian)象(xiang)。

        超薄的(de)自(zi)支撐(cheng)結(jie)構為封裝設(she)計帶來(lai)了更高的(de)靈活性(xing)與多(duo)維(wei)設(she)計自(zi)由(you)度，在半導體芯片異質集成與3D堆(dui)疊等先進封裝工(gong)藝中展現出(chu)巨大(da)應用潛力(li)。

        目(mu)前，研究(jiu)團隊正在為開發出6英(ying)寸(cun)以上更大尺寸(cun)的超薄(bo)、超低應力金剛(gang)石導熱材料而奮斗，持續推進和(he)拓(tuo)展其在AI、射頻等高功(gong)率芯(xin)片熱管(guan)理領域的應用。