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：芯片制程越精細，熱流密度就越大，熱設計功耗就越高，芯片性能制約就越嚴重，高效熱管理成為制約芯片性能釋放的瓶頸。

        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撐薄膜，為克服長期制約芯片鍵合制程的翹曲難題、推動金剛石在芯片熱管理領域的發展，邁出重要一步。

▲低翹曲超平金剛石自支撐薄膜實物拍攝（正面）

        01金剛石散熱   理想材料的現實瓶頸

        芯片在使用過程中，當內部產生的熱量無法有效散發時，局部區域會形成“熱點”，導致芯片性能下降，甚至硬件損壞。超過半數的設備故障與過熱直接相關。

        特別是碳化硅、氮化鎵等第三代半導體芯片，當它們在高頻大功率工作環境下“高強度工作”時，會產生高熱流密度，這讓“通過降低殼體-環境熱阻”的傳統散熱方案難以為繼。

        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。 

        如果把芯片直接“粘”在金剛石襯底上，能大大降低“近結熱阻”（芯片發熱核心到散熱材料之間的熱量傳遞阻力）和“結溫”（芯片內部最關鍵的發熱點溫度），就像給芯片核心貼了個“超導冰袋”，這也被視為未來高性能芯片及3D封裝熱管理的理想方案。

        但金剛石薄膜是在其他襯底上“長”出來的，金剛石與襯底間的本征熱膨脹系數差異及形核、生長工藝適配性問題，導致剝離襯底后的金剛石薄膜翹曲嚴重，無法滿足芯片鍵合工藝對襯底超高平坦度的嚴苛要求。

        這讓金剛石的散熱潛力一直被“封印”。解決襯底翹曲問題是金剛石薄膜應用于芯片鍵合的關鍵。

        02 工藝創新與突破  打通金剛石芯片鍵合制程通道

        寧波材料所研究團隊基于自主設計開發的915MHz-75kW微波等離子體化學氣相沉積（MPCVD）設備，通過技術創新與工藝優化，成功制備出4英寸金剛石自支撐薄膜，薄膜厚度小于100μm。

        該薄膜在自支撐狀態下，翹曲度可穩定控制在10μm以內，比常規工藝制備的金剛石薄膜降低一個數量級。

        最關鍵的是，這種超低翹曲度賦予金剛石薄膜超乎尋常的平坦特性，使其能在無外力作用下自發貼附于玻璃基板，展現出獨特的“自吸附”現象。

        超薄的自支撐結構為封裝設計帶來了更高的靈活性與多維設計自由度，在半導體芯片異質集成與3D堆疊等先進封裝工藝中展現出巨大應用潛力。

        目前，研究團隊正在為開發出6英寸以上更大尺寸的超薄、超低應力金剛石導熱材料而奮斗，持續推進和拓展其在AI、射頻等高功率芯片熱管理領域的應用。