金刚石热沉片：攻克 2.5D/3D 先进封装高热流芯片散热难题

人工智能、深度学习、云计算及超级计算等前沿技术的快速迭代，推动高性能芯片成为产业发展核心刚需。现阶段，受限于物理制程极限，摩尔定律逐步放缓，单纯依靠制程微缩提升芯片性能的方式已难以持续，以2.5D、3D堆叠为代表的先进封装技术，成为突破芯片性能瓶颈、延续算力升级的关键路径。然而，先进封装高度集成化的结构特点大幅提升了芯片功率密度与热流密度，传统散热方案难以适配其严苛的温控需求。在此背景下，金刚石热沉片凭借最高可达2000 W·m⁻¹K⁻¹的超高热导率，成为解决高端封装芯片高热流散热难题的核心优选方案。

当前半导体行业主流的硅（Si）、碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等衬底材料热导率普遍偏低，整体阈值不超过500 W·m⁻¹K⁻¹，与高端器件的散热需求存在显著差距。现代大功率电子器件的功率密度最高可达1000 W·cm⁻²，加之芯片内部不同功能区域功耗分布不均，极易形成局部热点，热点区域的热流密度可达芯片平均发热密度的5至10倍，局部积热严重、温场分布失衡，是导致高性能芯片热节流、稳定性下降、寿命衰减的核心诱因。

金刚石是目前自然界已知热导率最优的功能性散热材料，能够高效疏导芯片积聚的集中热量，实现快速均温散热，是行业公认的、适配下一代半导体器件高热管理需求的核心材料。无论是单晶金刚石还是多晶金刚石，其热传导性能均大幅优于硅、碳化硅、氮化镓等传统封装衬底材料，可全面替代传统散热基材，为高性能电子封装提供高效、稳定的散热解决方案。

金刚石与半导体器件的核心连接工艺及技术优劣

金刚石热沉的散热效能不仅取决于材料本身的热学性能，更与金刚石和半导体器件的连接工艺密切相关，界面结合质量直接决定整体热阻与散热效果。为最大化发挥金刚石超高导热特性，实现热量无损耗快速传导，业界重点围绕金刚石与半导体的直接连接工艺开展技术攻关，目前主流技术路线主要分为沉积直接连接与低温键合直接连接两类。

第一种为原位沉积工艺，即在已制备完成的半导体器件表面直接沉积金刚石薄膜，或在器件正面制备金刚石钝化层，以此提升器件正向散热能力。但该工艺存在显著技术短板，一方面金刚石外延生长的高温工艺特性，易引发半导体外延层热膨胀失配，出现开裂、分层等缺陷；另一方面，CVD金刚石沉积需在700℃以上高温及高浓度氢等离子体环境中进行，会对硅、碳化硅、氮化镓等半导体材料产生刻蚀损伤，严重破坏器件原有电学性能与结构稳定性，制约工艺产业化落地。

第二种为低温键合工艺，是当前规避高温沉积缺陷的主流研究方向。该工艺先通过外延生长完成半导体材料制备，剥离原生衬底后，再与金刚石热沉基板进行低温键合集成。多晶金刚石与单晶金刚石均可作为键合基板使用，大幅降低了金刚石基半导体器件的制备门槛。同时，半导体外延层与金刚石热沉可独立加工制备，有效简化器件集成工艺流程，规避了高温等离子体对半导体芯片的损伤问题，工艺适配性显著提升。

但低温直接键合工艺仍存在技术壁垒，对基材加工精度要求极高，需要金刚石基板与半导体外延层具备超高平整度、极低翘曲度及纳米级表面粗糙度（Ra＜1 nm），对精密加工工艺提出严苛挑战。同时，键合压力、保压时长等工艺参数难以精准管控，极易导致试样碎裂、界面结合不良等问题，产品良率偏低。目前该技术仅可实现毫米级小尺寸芯片的稳定制备，大尺寸器件规模化量产仍处于实验室研发探索阶段，暂未实现工业化批量应用。

在直接键合工艺尚未成熟量产的行业现状下，金属间接互联封装工艺凭借技术成熟、稳定性高的优势，成为当前金刚石热沉规模化应用的主流方案。该工艺通过金属介质实现芯片与金刚石基板的间接连接，有效规避直接键合的良品率难题。行业主流工艺包含三类：锡铅/无铅焊料软钎焊、金锡共晶合金等低熔点中间层瞬时液相扩散焊、纳米银低温烧结工艺，可适配不同功率、不同场景的高端芯片封装散热需求。

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。