芯耀
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Carbontech2025第九屆國際碳材料大會暨產(chǎn)業(yè)展覽會（12月9-11日 上海），以“材料創(chuàng)新驅(qū)動產(chǎn)業(yè)變革”為主線，構(gòu)建覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈的三大主題展館，其中N1半導(dǎo)體碳材料館聚焦金剛石及超硬材料的最新成果與應(yīng)用。
隨著電子設(shè)備向微型化、高性能化方向飛速發(fā)展，熱管理問題已成為制約半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步的瓶頸之一。在先進(jìn)封裝領(lǐng)域，這一挑戰(zhàn)尤為嚴(yán)峻，主要原因體現(xiàn)在以下幾個方面：
器件性能與溫度的直接關(guān)聯(lián)：現(xiàn)代電子器件的功率密度呈指數(shù)級增長，特別是CPU、GPU及5G射頻芯片等高性能半導(dǎo)體，其功率密度已突破100W/cm2。研究表明，結(jié)溫每升高10-12℃，半導(dǎo)體器件的可靠性會驟降50%，同時漏源電流、增益和輸出功率等關(guān)鍵參數(shù)也會顯著退化。在氮化鎵（GaN）功率器件中，溫度升高還會導(dǎo)致“電流崩塌”效應(yīng)，嚴(yán)重削弱其高頻優(yōu)勢。熱積累已成為制約第三代半導(dǎo)體（如GaN、SiC）性能發(fā)揮的核心因素。
先進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)帶來的散熱挑戰(zhàn)：2.5D/3D封裝通過硅中介層（Interposer）和硅通孔（TSV）技術(shù)實(shí)現(xiàn)芯片堆疊與高密度互連，雖然大幅提升了集成度和信號傳輸效率，但也帶來了熱堆積效應(yīng)：
中介層作為熱傳導(dǎo)關(guān)鍵路徑，傳統(tǒng)散熱材料（如硅或玻璃）熱導(dǎo)率不足（硅：150 W/m·K，玻璃：1-2 W/m·K），形成散熱瓶頸。
芯片堆疊結(jié)構(gòu)使熱量在垂直方向難以快速導(dǎo)出，底層芯片成為“熱陷阱”。
異質(zhì)集成中不同材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）差異引發(fā)熱應(yīng)力，導(dǎo)致界面分層和可靠性下降。
金剛石熱沉的技術(shù)優(yōu)勢
金剛石是自然界導(dǎo)熱最佳材料，憑借其獨(dú)特性能成為理想散熱材料：
超高導(dǎo)熱：單晶金剛石理論值2000W/m·K，多晶金剛石實(shí)際值1200-1800W/m·K。
低熱膨脹：1.0×10??/K（接近硅的2.6×10??/K），減少熱應(yīng)力。
優(yōu)異絕緣：電阻率>1012 Ω·cm，適用于高電場環(huán)境。
具體應(yīng)用案例：
低溫鍵合：將金剛石襯底與芯片鍵合，縮短熱傳導(dǎo)路徑。例如，華為與廈門大學(xué)于大全教授團(tuán)隊合作將多晶金剛石襯底集成于2.5D玻璃轉(zhuǎn)接板背面，顯著降低結(jié)溫。
多晶金剛石襯底集成到玻璃轉(zhuǎn)接板封裝芯片背面及其散熱性能表征
沉積金剛石膜：在芯片表面沉積金剛石鈍化層，同時提升散熱與保護(hù)性能。
發(fā)展路徑與未來展望
短期突破方向：小尺寸高價值芯片優(yōu)先，例如激光器、射頻器件等；工藝創(chuàng)新方面，比如金剛石復(fù)合材料降低界面熱阻。
長期技術(shù)路線：提升CVD沉積效率，開發(fā)大面積晶圓技術(shù)，成本下降；發(fā)展金剛石粉體復(fù)合材料，替代單晶方案；與先進(jìn)封裝協(xié)同，在3D封裝中集成金剛石微通道，結(jié)合兩相冷卻技術(shù)。
金剛石憑借其極限熱物理性能，將成為突破先進(jìn)封裝散熱瓶頸的核心材料。廈大-華為團(tuán)隊的金剛石低溫鍵合技術(shù)標(biāo)志著中國在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)從追趕到引領(lǐng)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折。
未來，隨著CVD成本下降及異質(zhì)集成工藝不斷成熟，金剛石熱沉將成為3D IC、AI芯片、量子器件的標(biāo)配散熱方案，重塑半導(dǎo)體封裝技術(shù)格局。
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