近年來，隨著電子器件性能的不斷提升，熱管理已成為電子封裝設(shè)計中的一大挑戰(zhàn)。高功率密度和復(fù)雜的異質(zhì)集成技術(shù)，使得有效散熱成為確保器件穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素。廈門大學(xué)與華為公司合作，在這一領(lǐng)域取得了重要進展，他們研發(fā)了一種基于金剛石的創(chuàng)新熱管理技術(shù)。該技術(shù)通過異質(zhì)集成的方式，將金剛石直接集成到芯片和玻璃中，實現(xiàn)了顯著的散熱性能提升。這項研究不僅展示了金剛石作為熱擴散器的巨大潛力，還為未來高性能電子封裝的散熱技術(shù)提供了新的解決方案。

金剛石：高效熱擴散材料的理想選擇

金剛石以其極高的各向同性熱導(dǎo)率（約1500 W/m·K）成為了理想的熱擴散材料。過去幾十年，科學(xué)家們通過多種方法嘗試將金剛石應(yīng)用于電子器件的散熱管理中。例如，通過化學(xué)氣相沉積（CVD）在半導(dǎo)體上直接生長多晶金剛石，或者通過高溫高壓條件下將金剛石與半導(dǎo)體直接結(jié)合。這些方法雖然展現(xiàn)出了一定的效果，但由于工藝溫度過高（通常超過400℃）或引入較大的熱阻，限制了其在現(xiàn)代芯片封裝中的廣泛應(yīng)用。

為了克服這一挑戰(zhàn)，廈大與華為提出了一種低溫結(jié)合技術(shù)，通過納米層Cu/Au再結(jié)晶，將金剛石與硅芯片進行結(jié)合，并集成到玻璃中，形成“金剛石-芯片-玻璃”異質(zhì)集成封裝。這種新型封裝結(jié)構(gòu)在保持高性能散熱的同時，顯著降低了界面熱阻，提高了封裝的散熱效率。

低溫結(jié)合技術(shù)的突破

傳統(tǒng)的芯片結(jié)合技術(shù)，如焊接或銀燒結(jié)，往往會引入較大的熱阻，導(dǎo)致散熱效率降低。為了提高散熱性能，研究團隊開發(fā)了一種低溫、低壓力的結(jié)合工藝。在這一過程中，金剛石和芯片通過0.5 MPa的壓力在常溫下預(yù)結(jié)合，然后在200℃的條件下進行結(jié)合，避免了傳統(tǒng)高溫工藝帶來的損害。

結(jié)合過程中，采用了納米層Cu/Au作為金屬中間層，Ti作為附著層，以增強金剛石與芯片之間的附著力并降低熱邊界電阻（TBR）。通過Cu-Au-Ti的金屬擴散和冶金反應(yīng)，形成了均勻的結(jié)合界面，確保了高溫穩(wěn)定性和多次焊接操作的兼容性。

這一技術(shù)不僅有效解決了高溫結(jié)合帶來的挑戰(zhàn)，還通過降低界面熱阻，確保了金剛石在高功率密度條件下的有效散熱。

異質(zhì)集成封裝的熱管理優(yōu)勢

在該研究中，研究人員使用了一種特制的硅基熱測試芯片來表征金剛石集成的散熱性能。該測試芯片通過倒裝芯片技術(shù)與玻璃中介層連接，形成了完整的異質(zhì)集成封裝。在封裝過程中，研究團隊通過壓縮模塑工藝包覆了環(huán)氧模塑料（EMC），并在金剛石背面磨去多余的材料，以進一步促進散熱。

測試結(jié)果顯示，與未集成金剛石的封裝相比，集成了金剛石的封裝在多個高熱通量加熱條件下，芯片的*高溫度降低了約24.1℃，熱阻降低了28.5%。這一結(jié)果表明，金剛石的加入大大提升了封裝的散熱性能。

此外，測試還分析了結(jié)合界面中存在的空隙對散熱性能的影響。研究表明，即使結(jié)合界面中的空隙率達到9.6%，對整體散熱性能的影響依然較小。這是因為金屬結(jié)合層的導(dǎo)熱率遠高于空隙的導(dǎo)熱率，熱量主要通過金屬傳導(dǎo)。

與現(xiàn)有散熱技術(shù)的對比

研究團隊還將金剛石集成封裝的散熱性能與現(xiàn)有的先進散熱技術(shù)進行了比較。結(jié)果顯示，金剛石集成封裝的散熱效果優(yōu)于多種現(xiàn)有技術(shù)。例如，納米銀燒結(jié)技術(shù)在高熱通量條件下的溫度降低為14.1℃，而AuSn焊接技術(shù)的溫度降低僅為5.2℃。相比之下，金剛石集成封裝在相同條件下實現(xiàn)了更大的溫度降低，表現(xiàn)出了更優(yōu)越的散熱性能。

應(yīng)用前景與未來發(fā)展

該研究展示了低溫結(jié)合技術(shù)與金剛石集成封裝在熱管理方面的巨大潛力。通過有效降低熱阻，這一技術(shù)為現(xiàn)代電子器件的熱管理提供了全新的解決方案，尤其是在高功率、高性能芯片封裝領(lǐng)域。未來，這一技術(shù)有望進一步擴展到其他高效冷卻裝置的集成中，如熱電設(shè)備、微通道冷卻器和蒸汽腔冷卻器。

總之，這項研究不僅推動了金剛石在熱管理中的應(yīng)用進程，還為未來高性能電子器件的散熱設(shè)計提供了重要的技術(shù)支持。通過將這一低溫結(jié)合技術(shù)應(yīng)用于實際芯片封裝中，為解決異質(zhì)集成系統(tǒng)的熱管理難題邁出了重要一步。