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：芯片制程(cheng)越(yue)(yue)精細，熱流密度就(jiu)越(yue)(yue)大，熱設計功耗(hao)就(jiu)越(yue)(yue)高，芯片性(xing)能制約就(jiu)越(yue)(yue)嚴(yan)重，高效熱管理(li)成為制約芯片性(xing)能釋放(fang)的瓶頸(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(zhi)撐薄膜，為克服(fu)長期制(zhi)約芯片鍵合制(zhi)程的翹曲難(nan)題、推動金(jin)剛石在芯片熱管(guan)理領域的發展(zhan)，邁出(chu)重要(yao)一步。

▲低翹曲超平金(jin)剛石自支撐(cheng)薄膜實物拍攝(she)（正面）

        01金剛石散熱   理想材料的現實瓶頸

        芯(xin)片在使(shi)用過程中，當(dang)內部產生的熱量(liang)無法有效(xiao)散發時，局部區域(yu)會形成“熱點”，導致芯(xin)片性能(neng)下降，甚(shen)至硬件損壞。超過半數的設(she)備故障與過熱直接(jie)相關。

        特別是碳化硅、氮化鎵等第三(san)代半導體芯(xin)片，當它(ta)們在高頻大功(gong)率工作環境下(xia)“高強度(du)工作”時，會產(chan)生高熱(re)流密度(du)，這讓“通過降低(di)殼體-環境熱(re)阻”的傳(chuan)統(tong)散(san)熱(re)方(fang)案難(nan)以為繼(ji)。

        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(ru)果(guo)把芯(xin)片(pian)直接“粘(zhan)”在金(jin)剛石襯底(di)上，能(neng)(neng)大大降低“近(jin)結熱阻(zu)”（芯(xin)片(pian)發熱核心(xin)到散熱材料之間的熱量傳遞阻(zu)力）和“結溫”（芯(xin)片(pian)內部最(zui)關鍵的發熱點(dian)溫度），就像給(gei)芯(xin)片(pian)核心(xin)貼了個“超導冰袋”，這(zhe)也被視為未(wei)來高性能(neng)(neng)芯(xin)片(pian)及3D封(feng)裝熱管理的理想(xiang)方案(an)。

        但金(jin)剛(gang)石薄(bo)(bo)膜是在其他(ta)襯(chen)(chen)底(di)上“長(chang)”出(chu)來的(de)，金(jin)剛(gang)石與(yu)襯(chen)(chen)底(di)間的(de)本征(zheng)熱膨(peng)脹(zhang)系數差異及(ji)形(xing)核、生長(chang)工藝適配性問題，導致(zhi)剝離襯(chen)(chen)底(di)后(hou)的(de)金(jin)剛(gang)石薄(bo)(bo)膜翹曲嚴(yan)(yan)重，無法滿足芯片(pian)鍵合(he)工藝對襯(chen)(chen)底(di)超高平坦度的(de)嚴(yan)(yan)苛(ke)要求。

        這讓金剛石的散熱潛力(li)一直被“封印(yin)”。解決(jue)襯底翹(qiao)曲問題是金剛石薄膜(mo)應(ying)用(yong)于芯片鍵(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(cai)料所研究團隊(dui)基于自(zi)主設計開發的(de)915MHz-75kW微(wei)波(bo)等離子體化學(xue)氣(qi)相沉積（MPCVD）設備，通過技術創新與工藝優化，成功制(zhi)備出4英寸金剛石自(zi)支(zhi)撐薄膜，薄膜厚度(du)小于100μm。

        該薄膜(mo)在(zai)自(zi)支撐狀態(tai)下，翹曲度可穩定控制(zhi)在(zai)10μm以內，比(bi)常規工藝制(zhi)備的金(jin)剛石(shi)薄膜(mo)降(jiang)低一(yi)個(ge)數量級。

        最(zui)關鍵的(de)是，這種超(chao)低翹曲度賦予(yu)金剛石薄膜超(chao)乎尋常的(de)平坦特性，使其能在無外力作用下自發貼附(fu)于玻(bo)璃(li)基板，展現出獨特的(de)“自吸附(fu)”現象。

        超薄(bo)的自支撐結構為封(feng)裝設(she)計(ji)帶來了更高的靈活性與多(duo)維設(she)計(ji)自由度(du)，在半(ban)導(dao)體(ti)芯(xin)片異(yi)質集成與3D堆疊等先進封(feng)裝工藝中展(zhan)現(xian)出巨大應(ying)用潛力。

        目前，研究團(tuan)隊(dui)正在(zai)為開發出(chu)6英寸(cun)(cun)以上(shang)更大尺寸(cun)(cun)的超薄、超低(di)應(ying)力(li)金剛石導熱材料(liao)而奮斗，持(chi)續推進和拓展其在(zai)AI、射頻等高功(gong)率芯(xin)片(pian)熱管理領(ling)域的應(ying)用。