在高性能計算、大功率通信器件及3D封裝持續演進的背景下，熱管理已成為限制芯片進一步提速的核心技術瓶頸。尤其是碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等(deng)第(di)三代半導體(ti)在高頻、大功率條(tiao)件下所(suo)帶(dai)來的高熱(re)流(liu)密度，使得傳統硅基散(san)熱(re)解(jie)決方案(an)逐漸難(nan)以為繼。

       作為熱導率最高的材料，金剛石在理(li)論與實驗中展現出(chu)優(you)異(yi)的(de)散熱能力，其(qi)在散熱基底、熱沉、片上集成等方向(xiang)的(de)潛在價值正快(kuai)速(su)獲得行業重(zhong)估(gu)。然而，材料(liao)層面(mian)尚未徹底解決的(de)應(ying)力控(kong)制(zhi)與工藝適配難題，始終阻礙其(qi)產業化步(bu)伐。

       近日，中國科學(xue)院(yuan)寧波材料(liao)所江南(nan)研究員(yuan)團隊成(cheng)功(gong)制備出(chu)了大(da)尺(chi)寸的4英寸超薄(bo)、超低翹曲金剛石自支(zhi)撐薄(bo)膜，為該技術(shu)邁向實際(ji)封(feng)裝應用提供了關鍵突破口。

       當前金(jin)(jin)剛(gang)石在(zai)熱(re)(re)(re)(re)管理(li)領域(yu)的(de)應用(yong)(yong)，主要聚焦(jiao)于(yu)兩類技術路徑：一(yi)是(shi)將金(jin)(jin)剛(gang)石用(yong)(yong)作基板(ban)，結合硅、GaN 或 SiC 材料(liao)以(yi)(yi)提升整體器件散熱(re)(re)(re)(re)性能；二是(shi)通過CVD方式制備金(jin)(jin)剛(gang)石熱(re)(re)(re)(re)沉或薄膜(mo)，實(shi)現對芯(xin)(xin)片熱(re)(re)(re)(re)源的(de)直接(jie)接(jie)觸式散熱(re)(re)(re)(re)。然而(er)，無(wu)論哪種形式，都(dou)面臨著(zhu)“襯底去除后翹曲過大”的(de)結構難題。尤其(qi)在(zai)薄膜(mo)厚(hou)度小于(yu)100 μm、尺寸大于(yu)2英寸以(yi)(yi)上的(de)情況下，內應力積(ji)累、界面不均勻生長等因素會造成(cheng)顯(xian)著(zhu)變形，無(wu)法(fa)滿足鍵(jian)合工(gong)藝的(de)熱(re)(re)(re)(re)壓(ya)封裝標準。這一(yi)瓶頸(jing)長期制約了金(jin)(jin)剛(gang)石材料(liao)在(zai)芯(xin)(xin)片直接(jie)鍵(jian)合散熱(re)(re)(re)(re)應用(yong)(yong)中的(de)規模化(hua)推(tui)廣(guang)，盡(jin)管散熱(re)(re)(re)(re)性能遠優于(yu)銅、氮(dan)化(hua)鋁(lv)等傳統材料(liao)，卻難以(yi)(yi)獲得工(gong)業批量采用(yong)(yong)。

       研究人(ren)員(yuan)通過優化氣(qi)相沉積(ji)工藝(yi)，改良襯(chen)底脫除與(yu)(yu)(yu)熱(re)(re)處理流(liu)程，成(cheng)(cheng)功實(shi)現(xian)(xian)了在(zai)不犧牲膜(mo)(mo)(mo)(mo)質量的(de)(de)(de)(de)前提下，明(ming)顯降低金(jin)剛(gang)石(shi)自(zi)支撐薄(bo)膜(mo)(mo)(mo)(mo)應(ying)(ying)力(li)(li)與(yu)(yu)(yu)翹(qiao)(qiao)曲(qu)。該團隊制(zhi)(zhi)備的(de)(de)(de)(de)4英寸金(jin)剛(gang)石(shi)薄(bo)膜(mo)(mo)(mo)(mo)，厚(hou)度(du)小于100 μm，翹(qiao)(qiao)曲(qu)度(du)控(kong)制(zhi)(zhi)在(zai)10 μm以內，且(qie)在(zai)無(wu)外力(li)(li)條(tiao)件下可牢固貼(tie)附于玻璃基板，具(ju)(ju)備自(zi)吸附能(neng)力(li)(li)。這一(yi)性能(neng)表現(xian)(xian)不僅滿足芯片熱(re)(re)沉鍵合的(de)(de)(de)(de)翹(qiao)(qiao)曲(qu)要求，也為將金(jin)剛(gang)石(shi)薄(bo)膜(mo)(mo)(mo)(mo)納入異質集(ji)成(cheng)(cheng)、3D堆(dui)疊等先進封(feng)裝工藝(yi)提供了可能(neng)。                             這項(xiang)技術(shu)突破在(zai)產(chan)(chan)(chan)業(ye)鏈中具(ju)(ju)有深遠的(de)(de)(de)(de)意(yi)義。金(jin)剛(gang)石(shi)熱(re)(re)管理材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)產(chan)(chan)(chan)業(ye)鏈可粗分為四大環節：材(cai)(cai)料(liao)合成(cheng)(cheng)、形貌控(kong)制(zhi)(zhi)與(yu)(yu)(yu)晶面(mian)取向、結構加(jia)工與(yu)(yu)(yu)精密切(qie)割，以及(ji)與(yu)(yu)(yu)芯片或封(feng)裝結構的(de)(de)(de)(de)對接集(ji)成(cheng)(cheng)。其中，第一(yi)環節我國產(chan)(chan)(chan)業(ye)已(yi)基本形成(cheng)(cheng)從高(gao)純氣(qi)源（如甲烷、氫氣(qi)）到反應(ying)(ying)設(she)備（CVD系統）的(de)(de)(de)(de)本地配(pei)套，部(bu)分企業(ye)已(yi)實(shi)現(xian)(xian)大面(mian)積(ji)金(jin)剛(gang)石(shi)薄(bo)膜(mo)(mo)(mo)(mo)的(de)(de)(de)(de)商(shang)業(ye)化生長；第二環節則(ze)是實(shi)現(xian)(xian)薄(bo)膜(mo)(mo)(mo)(mo)質量與(yu)(yu)(yu)應(ying)(ying)力(li)(li)控(kong)制(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)核心，在(zai)此處寧波材(cai)(cai)料(liao)所的(de)(de)(de)(de)成(cheng)(cheng)果填補了關(guan)鍵技術(shu)空白；而后兩(liang)者——精密加(jia)工與(yu)(yu)(yu)封(feng)裝集(ji)成(cheng)(cheng)——目(mu)前仍由少數海(hai)外企業(ye)具(ju)(ju)備全流(liu)程能(neng)力(li)(li)，成(cheng)(cheng)為國產(chan)(chan)(chan)材(cai)(cai)料(liao)走向產(chan)(chan)(chan)業(ye)端(duan)的(de)(de)(de)(de)關(guan)鍵關(guan)口。

       尤其在芯片(pian)封(feng)裝領域，將(jiang)金(jin)(jin)剛石薄膜直(zhi)接(jie)鍵合于功率(lv)器件芯片(pian)（如GaN功率(lv)放大(da)器）表(biao)面，可明顯降(jiang)低(di)界面熱阻，并穩定(ding)芯片(pian)結溫，進而(er)延長(chang)壽命、提升(sheng)頻(pin)率(lv)穩定(ding)性。過(guo)去，由于金(jin)(jin)剛石表(biao)面粗糙度(du)大(da)、翹曲高，封(feng)裝廠(chang)商多采用貼(tie)附(fu)銅中間層的(de)(de)方式實(shi)現間接(jie)散熱，但這大(da)幅犧牲了金(jin)(jin)剛石優(you)異的(de)(de)熱導率(lv)。因此，實(shi)現表(biao)面低(di)應(ying)力、高平整度(du)的(de)(de)自支撐結構，是實(shi)現“芯片(pian)-金(jin)(jin)剛石”直(zhi)接(jie)熱耦合的(de)(de)前(qian)提，而(er)這一制程工藝(yi)若能(neng)標(biao)準化，將(jiang)成(cheng)為熱管理方案從實(shi)驗(yan)驗(yan)證向晶圓級封(feng)裝體系跨越的(de)(de)起點。

       從下游產業看，金剛石熱管理材料的主要應用聚焦在高頻通信（如5G基站、毫米波雷達）、高功率電子（新能源車逆變器、工業電源模塊）、以及高端計算（數據中心AI芯片）等場景。特別是在芯片熱設計功耗（TDP）突破400W的AI服務器GPU中，傳統風冷系統散熱效率趨于極限，系統功耗中超過40%用于熱管理，成為限制算力進一步爬升的重要非線性因素。金剛石散熱材料因(yin)其(qi)高導(dao)熱(re)性與電絕緣(yuan)性兼具(ju)，有望直接封裝(zhuang)于芯片熱(re)源(yuan)部(bu)位，替代傳(chuan)統石墨銅復合結(jie)構(gou)。在此方向(xiang)上，Coherent、Element Six 等國際企業已相繼(ji)發布金剛石熱(re)沉(chen)產品，目標客戶為NVIDIA、AMD等高端(duan)芯片制造商(shang)，而國內尚處于工(gong)程(cheng)樣片和部(bu)分軍工(gong)領域定(ding)向(xiang)應用階(jie)段。

       從(cong)行(xing)業(ye)(ye)發展趨勢來看，金(jin)剛石(shi)(shi)散熱材(cai)(cai)料正進入(ru)從(cong)“實(shi)驗(yan)室性(xing)能”向“工(gong)(gong)程工(gong)(gong)藝(yi)(yi)”轉化的階(jie)段。制約(yue)其規(gui)模應(ying)用的因素已不再集(ji)中于熱導率(lv)本身，而是轉向熱膨脹匹配、界面鍵合穩定(ding)性(xing)、機械加(jia)工(gong)(gong)適應(ying)性(xing)等更偏向制造工(gong)(gong)藝(yi)(yi)的問題。因此，誰能率(lv)先打通“材(cai)(cai)料-器(qi)件-封(feng)裝(zhuang)”三位一體的產(chan)業(ye)(ye)閉環(huan)，誰就能在金(jin)剛石(shi)(shi)熱管理賽(sai)道上取得先發優勢。當(dang)前包括中國電科(ke)38所、南昌大學、北京航(hang)材(cai)(cai)院等科(ke)研單位均(jun)在推(tui)進自支撐金(jin)剛石(shi)(shi)膜工(gong)(gong)藝(yi)(yi)路線，同(tong)時，多(duo)家半導體裝(zhuang)備企業(ye)(ye)也(ye)開始嘗(chang)試開發適配金(jin)剛石(shi)(shi)片材(cai)(cai)加(jia)工(gong)(gong)的激光(guang)切割與(yu)超聲(sheng)研磨(mo)設備。

       總(zong)之，該項技(ji)(ji)(ji)術突(tu)破，不僅填補了國內在(zai)關鍵(jian)熱(re)(re)(re)管(guan)理材(cai)料(liao)方向的空白(bai)，也為我國高性能芯片散熱(re)(re)(re)產(chan)(chan)業鏈提(ti)供了核心材(cai)料(liao)層的技(ji)(ji)(ji)術支點(dian)。金剛石材(cai)料(liao)從“超(chao)高熱(re)(re)(re)導率”的理論(lun)價值向“可(ke)量(liang)產(chan)(chan)、能封(feng)裝、能貼(tie)合”的實際(ji)工藝躍遷，正成為新一代芯片熱(re)(re)(re)管(guan)理技(ji)(ji)(ji)術競(jing)爭的焦點(dian)。未來，圍(wei)繞標準化(hua)接口、工藝可(ke)靠性與封(feng)裝兼容(rong)性的持續迭代，將決定金剛石能否從“明(ming)星材(cai)料(liao)”真正走向“產(chan)(chan)業材(cai)料(liao)”的關鍵(jian)路徑。