面向高功率密度封装的高效散热方案：金刚石热扩散层在2.5D Chiplet中的应用

随着先进封装技术向高集成度、高功率密度方向发展，基于Interposer的2.5D Chiplet架构逐渐成为高性能计算和人工智能芯片的重要技术路径。该架构通过将多个功能芯粒集成于同一封装中，实现更高的计算性能和更灵活的系统设计，但多芯粒协同工作也带来了新的热管理挑战。

在高密度封装结构中，芯粒之间距离缩短，局部热点更加集中，热量不仅影响单个芯片性能，还可能通过封装结构向邻近芯粒扩散，形成热串扰，降低系统可靠性。因此，如何降低芯片结温、提高热传输效率，成为先进封装持续发展的关键问题。

近期有研究提出了一种基于金刚石热扩散层（Diamond heat spreader）的2.5D Chiplet热管理方案，通过将高导热金刚石材料集成于芯片封装结构顶部，构建更加高效的热传输路径。研究团队分别针对单芯片和多Chiplet封装场景进行了热分析，评估了金刚石结构在高功率密度条件下的散热能力。

 图1. 金刚石-芯片-中介层封装结构示意图：(a) 单芯片构型；(b) 多芯粒构型

金刚石具有极高的热导率和优异的热稳定性，是目前最具潜力的先进散热材料之一。相比传统铜等金属材料，金刚石能够实现更快速的热扩散，并降低局部热积累。在该研究中，金刚石材料热导率设定为1500 W/(m·K)，明显高于硅、玻璃等传统封装材料。

研究首先对单芯片结构进行了验证。在33 W功率条件下，未采用金刚石热扩散层时，芯片最高结温达到110.8℃；加入金刚石层后，最高结温降低至85.7℃，温度下降约25.1℃。实验测试结果与模拟结果保持一致，证明金刚石结构能够有效改善芯片散热性能。

进一步针对处理器芯粒与HBM芯粒组成的2.5D多芯粒封装结构进行分析。当系统功率密度达到2 W/mm²时，引入金刚石热扩散层后，封装最高温度由104.8℃降低至81.7℃，温度下降约23.1℃。研究表明，随着芯片功率密度提升，金刚石散热优势更加明显。

图2. 最大功率密度为2 W/mm²时多芯粒构型的热分布：(a) 含金刚石均热片；(b) 不含金刚石均热片

除降低整体温升外，金刚石热扩散层还能够改善多芯粒结构中的热耦合问题。在传统结构中，高功率芯粒产生的热量容易横向传播，对邻近芯粒造成影响；而金刚石具备高效热扩散能力，可以快速将局部热量导出并扩散至散热路径，从而降低芯粒之间的热串扰。研究数据显示，在仅处理器芯粒工作时，引入金刚石层后，邻近HBM芯粒温度由64.3℃降低至46.2℃。

图3. 多芯粒构型中仅处理器供电时的热分布：(a) 含金刚石均热片；(b) 不含金刚石均热片

此外，研究还分析了动态热负载条件下的散热表现。在周期性脉冲热源作用下，金刚石结构能够降低温度峰值，并提升热响应速度，说明其不仅适用于稳定高功率运行，也适合AI计算等存在动态功耗变化的应用场景。

综合分析表明，金刚石热扩散层能够有效降低先进封装中的热阻，提高系统功率承载能力。论文研究结构的热阻约为0.023 ℃/W，相比传统封装形式具有更优的热管理性能；同时，相同条件下，金刚石散热结构相比铜散热层表现出更低的封装温度。

图4金刚石-多芯粒构型的冷却性能：(a) 不同金刚石均热片层结构；(b) 与铜均热片对比

围绕高热流密度场景下的芯片散热需求，化合积电（CSMH）持续推进金刚石材料与先进热管理方案研发，已形成覆盖晶圆级金刚石、金刚石热沉片、金刚石基复合衬底、金刚石铜复合材料等产品的技术布局。其中，金刚石热沉片采用高导热金刚石材料，通过晶圆级生长、精密加工及金属化工艺，可满足高功率芯片、激光器及先进封装等领域对高效散热的需求；硅基/碳化硅基金刚石等复合散热方案则进一步探索金刚石与半导体衬底材料的异质集成，为下一代芯片封装提供新的热管理路径。依托自主研发的MPCVD设备、晶圆级金刚石生长工艺以及从材料制备到精密加工的完整产业链能力，CSMH已布局多尺寸晶圆级金刚石产能建设，持续推动高导热金刚石材料从实验验证向规模化应用转化，为先进芯片热管理技术发展提供材料支撑。