金剛石散熱薄膜，“硬撐”不“屈曲”

2025-07-04 10:38:09 來源：中國科學報

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憑借超高熱導率，金剛石成為突破高頻大功率芯片散熱瓶頸的關鍵材料——將芯片直接鍵合到金剛石襯底上，能顯著降低近結熱阻與結溫，被視為未來高性能芯片及3D封裝熱管理的理想方案，其應用價值日益受到行業關注。

解決襯底翹曲問題，成為金剛石薄膜應用于芯片鍵合的關鍵一步。

針對這一核心瓶頸，中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員江南帶領功能碳素材料團隊通過創新技術，在不犧牲膜質量的前提下，將金剛石薄膜翹曲度減小一個數量級以上，實現其自吸附與自支撐特性。

超低翹曲金剛石自支撐薄膜實物拍攝（正面）。

江南向《中國科學報》介紹，隨著高性能計算、大功率通信器件及3D封裝技術的持續演進，熱管理已成為制約芯片性能提升的核心瓶頸。

特別是碳化硅、氮化鎵第三代半導體及算力芯片等在大功率工作下產生的高熱流密度，使得傳統通過降低殼體到外環境熱阻的散熱解決方案逐漸難以為繼。通過將芯片和高導熱襯底鍵（接）合，來降低近結熱阻的高效散熱方案，成為破局關鍵。

然而，材料層面的應力控制難題——源于金剛石與襯底熱膨脹系數的本征差異及形核、生長工藝適配性問題——導致傳統金剛石薄膜去除襯底后翹曲度過大，始終難以滿足鍵合工藝對襯底超高平坦度的嚴苛要求。

針對襯底翹曲問題，江南團隊制備出4英寸自支撐金剛石薄膜，厚度小于100μm。該薄膜在自支撐狀態下翹曲度穩定控制在10μm以內，較常規工藝制備的金剛石薄膜降低超過一個數量級。

尤為關鍵的是，這種超低翹曲度賦予了薄膜超乎尋常的平坦特性，使其展現出無需外力即可貼附玻璃基板的“自吸附”現象。

“通常只有兩個超平坦的平面物體相互接觸后，才會自動吸附到一起，此次金剛石薄膜和玻璃平板能自吸附到一起，說明該自支撐金剛石薄膜非常平坦，幾乎無翹曲?！苯蠌娬{。

正是這種自支撐狀態下的超平坦特性，使金剛石薄膜真正可以適配當前芯片鍵合制程。

同時，超薄的自支撐結構為封裝設計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通道，更使其在異質集成與3D堆疊等先進封裝工藝中展現出應用潛力。

“金剛石材料從超高熱導率的理論價值，向可量產、能封裝、能貼合的實際工藝躍遷，正成為共識與目標，也是新一代芯片熱管理技術競爭的焦點?！苯涎a充道。

科研人員展示金剛石自支撐薄膜。本文圖視頻均由受訪者提供。

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