憑借超高熱導(dǎo)率，金剛石成為突破高頻大功率芯片散熱瓶頸的關(guān)鍵材料——將芯片直接鍵合到金剛石襯底上，能顯著降低近結(jié)熱阻與結(jié)溫，被視為未來高性能芯片及3D封裝熱管理的理想方案，其應(yīng)用價(jià)值日益受到行業(yè)關(guān)注。

       解決襯底翹曲問題，成為金剛石薄膜應(yīng)用于芯片鍵合的關(guān)鍵一步。

       針對(duì)這一核心瓶頸，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員江南帶領(lǐng)功能碳素材料團(tuán)隊(duì)通過創(chuàng)新技術(shù)，在不犧牲膜質(zhì)量的前提下，將金剛石薄膜翹曲度減小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，實(shí)現(xiàn)其自吸附與自支撐特性。

       江南向《中國科學(xué)報(bào)》介紹，隨著高性能計(jì)算、大功率通信器件及3D封裝技術(shù)的持續(xù)演進(jìn)，熱管理已成為制約芯片性能提升的核心瓶頸。

       特別是碳化硅、氮化鎵第三代半導(dǎo)體及算力芯片等在大功率工作下產(chǎn)生的高熱流密度，使得傳統(tǒng)通過降低殼體到外環(huán)境熱阻的散熱解決方案逐漸難以為繼。通過將芯片和高導(dǎo)熱襯底鍵（接）合，來降低近結(jié)熱阻的高效散熱方案，成為破局關(guān)鍵。

       然而，材料層面的應(yīng)力控制難題——源于金剛石與襯底熱膨脹系數(shù)的本征差異及形核、生長工藝適配性問題——導(dǎo)致傳統(tǒng)金剛石薄膜去除襯底后翹曲度過大，始終難以滿足鍵合工藝對(duì)襯底超高平坦度的嚴(yán)苛要求。

       針對(duì)襯底翹曲問題，江南團(tuán)隊(duì)制備出4英寸自支撐金剛石薄膜，厚度小于100μm。該薄膜在自支撐狀態(tài)下翹曲度穩(wěn)定控制在10μm以內(nèi)，較常規(guī)工藝制備的金剛石薄膜降低超過一個(gè)數(shù)量級(jí)。

       尤為關(guān)鍵的是，這種超低翹曲度賦予了薄膜超乎尋常的平坦特性，使其展現(xiàn)出無需外力即可貼附玻璃基板的“自吸附”現(xiàn)象。

       “通常只有兩個(gè)超平坦的平面物體相互接觸后，才會(huì)自動(dòng)吸附到一起，此次金剛石薄膜和玻璃平板能自吸附到一起，說明該自支撐金剛石薄膜非常平坦，幾乎無翹曲。”江南強(qiáng)調(diào)。

       正是這種自支撐狀態(tài)下的超平坦特性，使金剛石薄膜真正可以適配當(dāng)前芯片鍵合制程。

       同時(shí)，超薄的自支撐結(jié)構(gòu)為封裝設(shè)計(jì)帶來了高度的靈活度和多維選擇性。

       該成果不僅打通了金剛石襯底鍵合的技術(shù)通道，更使其在異質(zhì)集成與3D堆疊等先進(jìn)封裝工藝中展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。

       “金剛石材料從超高熱導(dǎo)率的理論價(jià)值，向可量產(chǎn)、能封裝、能貼合的實(shí)際工藝躍遷，正成為共識(shí)與目標(biāo)，也是新一代芯片熱管理技術(shù)競爭的焦點(diǎn)。”江南補(bǔ)充道。