在高性能計(jì)算、大功率通信器件及3D封裝持續(xù)演進(jìn)的背景下，熱管理已成為限制芯片進(jìn)一步提速的核心技術(shù)瓶頸。尤其是碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等第三代半導(dǎo)體在高頻、大功率條件下所帶來的高熱流密度，使得傳統(tǒng)硅基散熱解決方案逐漸難以為繼。

       作為熱導(dǎo)率最高的材料，金剛石在理論與實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)出優(yōu)異的散熱能力，其在散熱基底、熱沉、片上集成等方向的潛在價(jià)值正快速獲得行業(yè)重估。然而，材料層面尚未徹底解決的應(yīng)力控制與工藝適配難題，始終阻礙其產(chǎn)業(yè)化步伐。

       近日，中國科學(xué)院寧波材料所江南研究員團(tuán)隊(duì)成功制備出了大尺寸的4英寸超薄、超低翹曲金剛石自支撐薄膜，為該技術(shù)邁向?qū)嶋H封裝應(yīng)用提供了關(guān)鍵突破口。

       當(dāng)前金剛石在熱管理領(lǐng)域的應(yīng)用，主要聚焦于兩類技術(shù)路徑：一是將金剛石用作基板，結(jié)合硅、GaN 或 SiC 材料以提升整體器件散熱性能；二是通過CVD方式制備金剛石熱沉或薄膜，實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片熱源的直接接觸式散熱。然而，無論哪種形式，都面臨著“襯底去除后翹曲過大”的結(jié)構(gòu)難題。尤其在薄膜厚度小于100 μm、尺寸大于2英寸以上的情況下，內(nèi)應(yīng)力積累、界面不均勻生長(zhǎng)等因素會(huì)造成顯著變形，無法滿足鍵合工藝的熱壓封裝標(biāo)準(zhǔn)。這一瓶頸長(zhǎng)期制約了金剛石材料在芯片直接鍵合散熱應(yīng)用中的規(guī)模化推廣，盡管散熱性能遠(yuǎn)優(yōu)于銅、氮化鋁等傳統(tǒng)材料，卻難以獲得工業(yè)批量采用。

       研究人員通過優(yōu)化氣相沉積工藝，改良襯底脫除與熱處理流程，成功實(shí)現(xiàn)了在不犧牲膜質(zhì)量的前提下，明顯降低金剛石自支撐薄膜應(yīng)力與翹曲。該團(tuán)隊(duì)制備的4英寸金剛石薄膜，厚度小于100 μm，翹曲度控制在10 μm以內(nèi)，且在無外力條件下可牢固貼附于玻璃基板，具備自吸附能力。這一性能表現(xiàn)不僅滿足芯片熱沉鍵合的翹曲要求，也為將金剛石薄膜納入異質(zhì)集成、3D堆疊等先進(jìn)封裝工藝提供了可能。                             這項(xiàng)技術(shù)突破在產(chǎn)業(yè)鏈中具有深遠(yuǎn)的意義。金剛石熱管理材料的產(chǎn)業(yè)鏈可粗分為四大環(huán)節(jié)：材料合成、形貌控制與晶面取向、結(jié)構(gòu)加工與精密切割，以及與芯片或封裝結(jié)構(gòu)的對(duì)接集成。其中，第一環(huán)節(jié)我國產(chǎn)業(yè)已基本形成從高純氣源（如甲烷、氫氣）到反應(yīng)設(shè)備（CVD系統(tǒng)）的本地配套，部分企業(yè)已實(shí)現(xiàn)大面積金剛石薄膜的商業(yè)化生長(zhǎng)；第二環(huán)節(jié)則是實(shí)現(xiàn)薄膜質(zhì)量與應(yīng)力控制的核心，在此處寧波材料所的成果填補(bǔ)了關(guān)鍵技術(shù)空白；而后兩者——精密加工與封裝集成——目前仍由少數(shù)海外企業(yè)具備全流程能力，成為國產(chǎn)材料走向產(chǎn)業(yè)端的關(guān)鍵關(guān)口。

       尤其在芯片封裝領(lǐng)域，將金剛石薄膜直接鍵合于功率器件芯片（如GaN功率放大器）表面，可明顯降低界面熱阻，并穩(wěn)定芯片結(jié)溫，進(jìn)而延長(zhǎng)壽命、提升頻率穩(wěn)定性。過去，由于金剛石表面粗糙度大、翹曲高，封裝廠商多采用貼附銅中間層的方式實(shí)現(xiàn)間接散熱，但這大幅犧牲了金剛石優(yōu)異的熱導(dǎo)率。因此，實(shí)現(xiàn)表面低應(yīng)力、高平整度的自支撐結(jié)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)“芯片-金剛石”直接熱耦合的前提，而這一制程工藝若能標(biāo)準(zhǔn)化，將成為熱管理方案從實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證向晶圓級(jí)封裝體系跨越的起點(diǎn)。

       從下游產(chǎn)業(yè)看，金剛石熱管理材料的主要應(yīng)用聚焦在高頻通信（如5G基站、毫米波雷達(dá)）、高功率電子（新能源車逆變器、工業(yè)電源模塊）、以及高端計(jì)算（數(shù)據(jù)中心AI芯片）等場(chǎng)景。特別是在芯片熱設(shè)計(jì)功耗（TDP）突破400W的AI服務(wù)器GPU中，傳統(tǒng)風(fēng)冷系統(tǒng)散熱效率趨于極限，系統(tǒng)功耗中超過40%用于熱管理，成為限制算力進(jìn)一步爬升的重要非線性因素。金剛石散熱材料因其高導(dǎo)熱性與電絕緣性兼具，有望直接封裝于芯片熱源部位，替代傳統(tǒng)石墨銅復(fù)合結(jié)構(gòu)。在此方向上，Coherent、Element Six 等國際企業(yè)已相繼發(fā)布金剛石熱沉產(chǎn)品，目標(biāo)客戶為NVIDIA、AMD等高端芯片制造商，而國內(nèi)尚處于工程樣片和部分軍工領(lǐng)域定向應(yīng)用階段。

       從行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)來看，金剛石散熱材料正進(jìn)入從“實(shí)驗(yàn)室性能”向“工程工藝”轉(zhuǎn)化的階段。制約其規(guī)模應(yīng)用的因素已不再集中于熱導(dǎo)率本身，而是轉(zhuǎn)向熱膨脹匹配、界面鍵合穩(wěn)定性、機(jī)械加工適應(yīng)性等更偏向制造工藝的問題。因此，誰能率先打通“材料-器件-封裝”三位一體的產(chǎn)業(yè)閉環(huán)，誰就能在金剛石熱管理賽道上取得先發(fā)優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前包括中國電科38所、南昌大學(xué)、北京航材院等科研單位均在推進(jìn)自支撐金剛石膜工藝路線，同時(shí)，多家半導(dǎo)體裝備企業(yè)也開始嘗試開發(fā)適配金剛石片材加工的激光切割與超聲研磨設(shè)備。

       總之，該項(xiàng)技術(shù)突破，不僅填補(bǔ)了國內(nèi)在關(guān)鍵熱管理材料方向的空白，也為我國高性能芯片散熱產(chǎn)業(yè)鏈提供了核心材料層的技術(shù)支點(diǎn)。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，正成為新一代芯片熱管理技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。未來，圍繞標(biāo)準(zhǔn)化接口、工藝可靠性與封裝兼容性的持續(xù)迭代，將決定金剛石能否從“明星材料”真正走向“產(chǎn)業(yè)材料”的關(guān)鍵路徑。