中國粉體網(wǎng)訊  近日，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所江南研究員領(lǐng)導(dǎo)的功能碳素材料團(tuán)隊(duì)成功制備出4英寸、厚度小于100 μm、翹曲度控制在10 μm以內(nèi)的金剛石自支撐薄膜。這一成果不僅刷新了我國金剛石材料領(lǐng)域的紀(jì)錄，更標(biāo)志著我國在“終極半導(dǎo)體”材料的產(chǎn)業(yè)化道路上邁出關(guān)鍵一步。

01 金剛石散熱：理想材料的現(xiàn)實(shí)瓶頸

當(dāng)今半導(dǎo)體行業(yè)面臨嚴(yán)峻散熱挑戰(zhàn)：芯片制程越精細(xì)、熱設(shè)計(jì)功耗越高，熱流密度就越大。當(dāng)芯片表面溫度突破70-80℃，每升高1℃，可靠性就會(huì)驟降10%。設(shè)備故障過半源于過熱，高效散熱已成為解鎖AI和高性能計(jì)算潛力的關(guān)鍵瓶頸。憑借超高熱導(dǎo)率，金剛石成為突破高頻大功率芯片散熱瓶頸的關(guān)鍵材料，將芯片直接鍵合到金剛石襯底上，能顯著降低近結(jié)熱阻與結(jié)溫，被視為未來高性能芯片及3D封裝熱管理的理想方案，其應(yīng)用價(jià)值日益受到行業(yè)關(guān)注。

圖片來源：海光智能官網(wǎng)

然而，受限于金剛石與襯底熱膨脹系數(shù)的本征差異及形核、生長(zhǎng)工藝適配性問題，導(dǎo)致傳統(tǒng)金剛石薄膜去除襯底后翹曲度過大，薄膜與襯底之間以及薄膜內(nèi)部存在較大應(yīng)力，導(dǎo)致去除襯底后發(fā)生顯著翹曲，難以滿足鍵合工藝的翹曲度要求，成為制約其封裝應(yīng)用的核心瓶頸。

02 工藝創(chuàng)新與重大突破

傳統(tǒng)化學(xué)氣相沉積法（CVD）雖能生長(zhǎng)金剛石薄膜，但薄膜與基底間的熱應(yīng)力導(dǎo)致嚴(yán)重翹曲，且厚度難以突破毫米級(jí)。江南團(tuán)隊(duì)通過自主研發(fā)的“異質(zhì)外延-激光剝離-表面處理”組合工藝，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突圍。通過優(yōu)化激光參數(shù)，將剝離能耗降低40%，剝離時(shí)間縮短至30分鐘以內(nèi)，顯著提升了生產(chǎn)效率。

首先在藍(lán)寶石基底上通過異質(zhì)外延技術(shù)生長(zhǎng)出高質(zhì)量單晶金剛石薄膜，隨后利用激光能量精準(zhǔn)剝離薄膜與基底，成功將薄膜厚度控制在100 μm以下，同時(shí)將翹曲度降低至國際領(lǐng)先水平。這一厚度僅為傳統(tǒng)金剛石薄膜的十分之一，卻保持了優(yōu)異的熱導(dǎo)率（2200 W/m·K）和擊穿場(chǎng)強(qiáng)（10 MV/cm），性能遠(yuǎn)超硅和碳化硅材料。

此外，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地引入了“表面梯度摻雜”技術(shù)，在薄膜表面形成納米級(jí)摻雜層，有效降低了接觸電阻。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，該薄膜的接觸電阻率較傳統(tǒng)工藝降低60%，為高性能器件制造奠定了基礎(chǔ)。

超低翹曲金剛石自支撐薄膜實(shí)物拍攝（正面）

03 打通芯片鍵合制程通道

超低翹曲度賦予了薄膜超乎尋常的平坦特性，使其展現(xiàn)出無需外力即可貼附玻璃基板的“自吸附”現(xiàn)象。正是這種自支撐狀態(tài)下的超平坦特性，使金剛石薄膜真正可以適配當(dāng)前芯片鍵合制程。

超薄的自支撐結(jié)構(gòu)為封裝設(shè)計(jì)帶來了高度的靈活度和多維選擇性。該成果不僅打通了金剛石襯底鍵合的技術(shù)通道，更使其在異質(zhì)集成與3D堆疊等先進(jìn)封裝工藝中展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。

金剛石材料從超高熱導(dǎo)率的理論價(jià)值，向可量產(chǎn)、能封裝、能貼合的實(shí)際工藝躍遷，正成為共識(shí)與目標(biāo)，也是新一代芯片熱管理技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。金剛石自支撐薄膜的成功研制，為克服長(zhǎng)期制約芯片鍵合制程的翹曲難題，推動(dòng)金剛石在熱管理領(lǐng)域的發(fā)展邁出了關(guān)鍵一步。

參考來源：寧波材料所、中國科學(xué)報(bào)、北辰化工、證券之星

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/石語）

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