金刚石热沉技术落地Chiplet：破解高算力芯粒热管理核心难题
在后摩尔时代，传统单晶硅片制程微缩已逼近物理极限与光刻面积瓶颈，Chiplet（芯粒）异构集成技术凭借灵活算力堆叠、高集成度、可定制化的优势，成为支撑AI大算力、高性能计算、超算服务器迭代升级的核心技术路径。随着Chiplet集成规模持续扩大、单芯粒算力密度大幅提升，芯片整体热功耗激增、局部热点集聚、全域热分布不均、高密封装热输运受阻等问题日益突出，高热流密度散热已成为制约高端Chiplet芯片性能释放、长期稳定运行的核心技术壁垒。
金刚石材料凭借超高热导率、超低热膨胀系数、优异抗热冲击与高温稳定性，成为高端芯片热管理领域的理想基材，在界面导热、复合热沉、均热衬底、微通道散热等前沿场景具备不可替代的应用价值。在Chiplet多层异构复杂封装体系中，金刚石热管理方案可实现热量的精准疏导与全域均衡散热，有效降低芯片工作结温、弱化热应力损伤、降低运行能耗与故障概率，全面提升高算力芯片的运行稳定性与服役寿命，为高端Chiplet产业化落地提供关键技术支撑。
一、微通道两相冷却技术：适配kW级超高热流密度散热
传统微通道单相液冷技术仅能适配500 W/cm²以下热流密度的芯片散热场景，无法满足高端Chiplet局部热点2000 W/cm²甚至1 kW/cm²的超高热流密度散热需求。基于工质相变潜热换热的两相冷却技术，可突破单相冷却的散热上限，结合金刚石超高导热特性，可实现超高热流密度芯片的高效、稳定散热，是当前高算力Chiplet极端散热的核心解决方案。
2017年，IBM研究团队提出微针肋强化换热放射状微通道结构，打造嵌入式相变冷却体系。该结构采用R1234ze环保冷却剂，工质由中心入口渗入、向四周均匀扩散，适配大尺寸Chiplet全域散热需求。针对背景热流密度350 W/cm²、局部热点峰值热流密度2000 W/cm²的极端工况，该相变冷却结构可将芯片最高温升控制在65℃以内，有效解决超高算力芯片局部过热、热节流降频问题。
同一年，斯坦福大学团队创新性融合金刚石高导热特性与多孔强化换热结构，研发出金刚石复合烧结铜球相变换热微槽结构。该方案依托金刚石衬底极速导热能力快速疏导芯片集中热量，同时利用表面烧结铜球形成的多孔结构，大幅提升毛细作用力与相变换热表面积，实现散热效率跨越式提升。仿真测试结果显示，该结构可稳定承载1 kW/cm²全域背景热流、5 kW/cm²局部热点超高热流密度工况，整体最大温升仅5.6 K，散热精度与稳定性远超传统冷却方案，为超高密度Chiplet极端散热提供了全新技术范式。
二、高导热金刚石均热技术：根治Chiplet热分布不均痛点
Chiplet异构集成封装的核心散热难点，在于多芯粒算力不均衡导致的全域温差大、局部热点集中、热应力分布不均，极易引发封装翘曲、器件老化加速、算力波动等问题。采用超高导热金刚石衬底替代传统碳化硅、硅基衬底，可实现快速均温、精准散热，有效拉平芯片全域温度、消除局部热点，是优化Chiplet整体热管理能力的核心路径。
全球多项顶级科研项目均已验证金刚石均热技术的核心价值。美国DARPA先后启动ICECool、THREADS两大前沿热管理项目，明确以金刚石等高导热材料替代传统SiC衬底，重点解决高功率密度半导体器件的高热流散热难题，为射频器件、高算力芯片的性能升级奠定热管理基础。
2015年，英国航空研究团队攻克GaN器件金刚石低温键合工艺，成功制备金刚石基GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）。红外热成像对比测试显示，在10 GHz高频、40 V漏极偏压工作工况下，金刚石基GaN器件最大功率密度可达11 W/mm，性能是传统SiC基GaN器件的3.6倍，金刚石衬底的极速均热、降温优势得到充分验证。
2024年，行业研究团队再次实现技术突破，将金刚石低温键合技术与玻璃转接板封装工艺深度融合，首次完成多晶金刚石衬底与玻璃转接板Chiplet封装芯片的集成应用。实测数据表明，在芯片热点功率密度2 W/mm²的常规高算力工况下，集成金刚石散热衬底可使芯片最高结温降低24.1℃，封装整体热阻下降28.5%，大幅优化芯片热稳定性与功率承载上限。
三、技术应用总结与产业化价值
综合微通道两相相变冷却、金刚石高导热均热两大核心技术体系，金刚石热管理方案可稳定实现20℃以上的芯片精准降温，同时大幅降低界面热阻、均衡全域温度场，完美适配高端Chiplet高集成、高算力、高热流密度的散热需求。相较于传统硅、碳化硅散热方案，金刚石材料兼具超高导热、低热膨胀、抗热冲击、耐高温的综合优势，既能解决极端工况下的热点过热难题，又能弱化封装热应力、提升器件长期可靠性，是后摩尔时代Chiplet技术持续迭代的核心散热支撑。
化合积电是一家专注于宽禁带半导体材料研发、生产和销售的国家高新技术企业，核心产品有多晶金刚石(晶圆级金刚石、金刚石热沉片、金刚石窗口片、金刚石基复合衬底)、单晶金刚石(热学级、光学级、电子级、硼掺杂)和金刚石复合材料等，引领金刚石及新一代材料革新，赋能高端工业化应用，公司产品广泛应用于激光器、GPU/CPU、医疗器械、5G基站、大功率LED、新能源汽车、新能源光伏、航空航天和国防军工等领域。