中國粉體網(wǎng)訊 高性能芯片成為人工智能（Artificial Intelligence，Al）、深度學(xué)習(xí)、云計(jì)算、超級(jí)電腦等前沿技術(shù)的共同剛需。然而，主流發(fā)展方向下摩爾定律放緩，芯片制程逼近物理極限，先進(jìn)封裝技術(shù)成為延續(xù)芯片性能提升的重要途徑。
在2.5D/3D封裝技術(shù)中，金剛石熱沉片以其卓越的熱導(dǎo)率（高達(dá)2000W/m·K）成為解決高性能芯片散熱問題的理想方案。
什么是 2.5D封裝
先進(jìn)封裝是指通過優(yōu)化連接，在同一個(gè)封裝內(nèi)集成不同材料、線寬的半導(dǎo)體集成電路和器件等方式，提升集成電路的連接密度和集成度的前沿封裝形式和技術(shù)。目前，帶倒裝芯片（FC）結(jié)構(gòu)封裝、晶圓級(jí)封裝（WLP）、系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）、2.5D/3D 封裝等均被認(rèn)為屬于先進(jìn)封裝范疇，其中2.5D/3D封裝增速在先進(jìn)封裝多個(gè)細(xì)分領(lǐng)域中位列第一。
封裝技術(shù)演進(jìn)：從傳統(tǒng)封裝，到采用硅中介層的2.5D封裝，到TSV垂直連接的3D封裝。
封裝技術(shù)發(fā)展歷程 圖源：東吳證券研究所
2.5D封裝技術(shù)應(yīng)用始于2010年代，是一種先進(jìn)的異構(gòu)芯片封裝，能將多顆芯片做高密度的信號(hào)連接，集成進(jìn)一個(gè)封裝，多應(yīng)用于(x)PU, ASIC, FPGA, 3D NAND, HBM, CIS等。它的主要特征包含三層立體結(jié)構(gòu)：1）主芯片等多顆芯片長微凸塊后倒裝；2）含硅通孔 (TSV) 的介質(zhì)層（Si interposer）制作凸塊或錫球后，對(duì)應(yīng)上下兩層結(jié)構(gòu)；3）將介質(zhì)層倒裝到基板上。
先進(jìn)2.5D封裝技術(shù)的三層特征結(jié)構(gòu) 圖源：Amkor
在2.5D封裝中，TSV（Through-Silicon Via）硅介質(zhì)層技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高密度連接，它通過在芯片上穿孔并填充導(dǎo)電材料，實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)、芯片間以及芯片與封裝之間的垂直連接。此外3D TSV難度較高，僅有頭部Foundry廠可以做，2.5D TSV通常比3D TSV尺寸更大，密度更小，制作難度更低，目前 OSAT封測(cè)廠可以加工。
2.5D封裝是實(shí)現(xiàn)成本、性能和可靠性的完美平衡。在完成硅介質(zhì)層中段模塊以后，它便能被貼合上封裝基板，形成異構(gòu)性2.5D封裝。
2.5D 硅介質(zhì)層TSV連接。圖源：Amkor
目前，Amkor 已經(jīng)開發(fā)出兩種主要的2.5D封裝平臺(tái)，基板上芯片（Chip on Substrate，CoS）和晶圓上芯片（Chip on Wafer，CoW）。CoS 于 2014 年開發(fā)完成，并導(dǎo)入大規(guī)模生產(chǎn)。CoW 平臺(tái)為新的升級(jí)結(jié)構(gòu)制程，在 2018年開始大規(guī)模生產(chǎn)。
CoS技術(shù)旨在通過簡化封裝工藝來降低成本和復(fù)雜性，但在高功率散熱應(yīng)用場(chǎng)景下，CoS中直接接觸的基板可能無法充分處理所有芯片產(chǎn)生的熱量。通常，CoS會(huì)在芯片和基板之間增加熱界面材料或直接在基板背面安裝散熱器。此外，由于CoS技術(shù)的簡單結(jié)構(gòu)，熱量從芯片到基板的傳導(dǎo)可能不均勻，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)熱點(diǎn)問題，現(xiàn)有的有機(jī)或陶瓷基板散熱能力不能滿足需求，基板材料的選擇和設(shè)計(jì)對(duì)其熱管理性能也至關(guān)重要。
這時(shí)，常溫下具有2000 W/m·K熱導(dǎo)率、優(yōu)異的介電性能以及較低的熱膨脹系數(shù)的金剛石熱沉材料出現(xiàn)在人們的視野中，越來越受到人們關(guān)注。
金剛石熱沉
目前，常見的Si、SiC和GaN等半導(dǎo)體材料熱導(dǎo)率都相對(duì)較低，通常不超過500 W/m·K；而大功率電子器件功率密度可達(dá)100 W·cm-2；同時(shí)，不同功能區(qū)域間的功率密度差異會(huì)導(dǎo)致芯片內(nèi)部溫度分布的不均，局部熱點(diǎn)甚至是芯片平均發(fā)熱功率密度的5~10倍。
金剛石片或膜是目前自然界存在的最高熱導(dǎo)率熱沉材料，有望將積累的熱量有效導(dǎo)出，達(dá)到理想的散熱效果，已被廣泛認(rèn)為是提高半導(dǎo)體器件散熱能力的未來方案之一。無論是單晶金剛石，還是多晶金剛石，其熱導(dǎo)率均遠(yuǎn)大于其他襯底材料，可作為替代其他散熱襯底材料的更優(yōu)方案。
金剛石襯底GaN-HEMT器件熱傳輸示意圖
金剛石與半導(dǎo)體器件的連接方式?jīng)Q定了散熱效果的優(yōu)劣。金剛石若能與半導(dǎo)體材料直接連接，則可充分發(fā)揮金剛石熱導(dǎo)率高的特性，因此直連工藝研究一直是研究熱點(diǎn)。金剛石與半導(dǎo)體的直接連接主要方式有：1)金剛石與半導(dǎo)體間通過沉積工藝實(shí)現(xiàn)直接連接；2)金剛石與半導(dǎo)體間通過低溫鍵合實(shí)現(xiàn)直接連接。
現(xiàn)有金剛石與半導(dǎo)體器件連接工藝的技術(shù)路線圖
在制備好的半導(dǎo)體器件上直接沉積一層金剛石膜或在器件正面沉積金剛石鈍化層可以提高器件向上的散熱能力，但熱膨脹適配問題仍會(huì)導(dǎo)致外延層開裂。同時(shí)，CVD工藝沉積金剛石散熱層時(shí)，一般需要在高溫（>700℃）及高濃度的氫等離子體氛圍下，會(huì)嚴(yán)重刻蝕Si、SiC和GaN等半導(dǎo)體，導(dǎo)致其電學(xué)等性能嚴(yán)重下降。
為了避免直接外延生長需要的高溫和氫等離子體環(huán)境，先利用外延生長工藝在襯底上沉積半導(dǎo)體材料，然后去除襯底，并與金剛石襯底進(jìn)行低溫鍵合的方法得到廣泛研究。無論是多晶金剛石，還是單晶金剛石，都可作為低溫鍵合的熱沉基板，這大大降低了制備金剛石襯底的難度；并且半導(dǎo)體外延層和金則石熱沉基板可在鍵合前獨(dú)立制備，這精簡了金剛石基半導(dǎo)體器件的工藝。
低溫鍵合工藝雖然規(guī)避了外延生長的難點(diǎn)，但要求金剛石熱沉基板和半導(dǎo)體外延層表面平整、翹曲度小、表面粗糙度低（<1nm），這對(duì)目前加工工藝挑戰(zhàn)較大。此外，直接鍵合時(shí)的壓力大小和保壓時(shí)間等難以有效控制，導(dǎo)致試樣在鍵合過程中易破碎，良品率較低，尤其是大尺寸的試樣更是難以實(shí)現(xiàn)，目前還在實(shí)驗(yàn)室探索階段，僅在毫米尺度的小尺寸芯片上獲得過成功，還無法大規(guī)模應(yīng)用。
雖然金剛石散熱片最理想的應(yīng)用方式是與芯片直連，但利用金屬進(jìn)行芯片與基板間的間接連接封裝，在半導(dǎo)體行業(yè)是一種較成熟的工藝。常用的工藝有使用焊料（錫鉛或無鉛）的軟釬焊、使用低熔點(diǎn)中間層（如金錫共晶合金）的瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊和納米銀低溫?zé)Y(jié)等方式。
金剛石導(dǎo)熱應(yīng)用領(lǐng)域介紹
1.高性能電子封裝材料
在高端電子設(shè)備中，金剛石導(dǎo)熱材料被用作封裝材料，以快速傳導(dǎo)芯片產(chǎn)生的熱量，防止熱積累導(dǎo)致的性能下降或損壞。金剛石的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)超傳統(tǒng)硅基材料，為電子器件的散熱提供了革命性的解決方案。
2.激光設(shè)備散熱片
在激光技術(shù)領(lǐng)域，金剛石由于其優(yōu)異的導(dǎo)熱性能和光學(xué)透明性，被用作激光設(shè)備的關(guān)鍵散熱部件。這有助于提高激光器的輸出功率和穩(wěn)定性，同時(shí)延長其使用壽命。
3.航空航天領(lǐng)域的熱管理
在航空航天領(lǐng)域，金剛石導(dǎo)熱材料被用于航天器的熱管理系統(tǒng)。這些材料能夠在極端溫度變化下保持穩(wěn)定，有效管理航天器內(nèi)部設(shè)備的溫度，確保其正常運(yùn)行。
4.高速列車制動(dòng)系統(tǒng)
高速列車的制動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，金剛石導(dǎo)熱材料的應(yīng)用可以提高制動(dòng)盤的散熱效率，減少熱衰退現(xiàn)象，提升制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。
5.LED照明和顯示技術(shù)
在LED照明和顯示技術(shù)中，金剛石導(dǎo)熱材料被用于制造散熱基板，可以有效降低LED芯片的工作溫度，提高發(fā)光效率和穩(wěn)定性，延長LED產(chǎn)品的使用壽命。
6.新能源汽車熱管理
新能源電動(dòng)汽車的熱管理系統(tǒng)對(duì)于電池性能和安全性至關(guān)重要。金剛石導(dǎo)熱材料的應(yīng)用可以提高電池散熱效率，防止電池過熱，從而提升電動(dòng)汽車的整體性能和安全性。
7.高溫爐膛材料
在工業(yè)高溫爐膛中，金剛石導(dǎo)熱材料可以作為爐襯材料，不僅能夠承受極高的溫度，還能有效傳導(dǎo)熱量，提高爐膛的熱效率。
參考來源：
化合積電官網(wǎng)，Amkor官網(wǎng)，DT半導(dǎo)體
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/輕言）
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