中國粉體網訊 高性能芯片成為人工智能（Artificial Intelligence，Al）、深度學習、云計算、超級電腦等前沿技術的共同剛需。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，先進封裝技術成為延續(xù)芯片性能提升的重要途徑。
在2.5D/3D封裝技術中，金剛石熱沉片以其卓越的熱導率（高達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
先進封裝是指通過優(yōu)化連接，在同一個封裝內集成不同材料、線寬的半導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。目前，帶倒裝芯片（FC）結構封裝、晶圓級封裝（WLP）、系統(tǒng)級封裝（SiP）、2.5D/3D 封裝等均被認為屬于先進封裝范疇，其中2.5D/3D封裝增速在先進封裝多個細分領域中位列第一。
封裝技術演進：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。
封裝技術發(fā)展歷程 圖源：東吳證券研究所
2.5D封裝技術應用始于2010年代，是一種先進的異構芯片封裝，能將多顆芯片做高密度的信號連接，集成進一個封裝，多應用于(x)PU, ASIC, FPGA, 3D NAND, HBM, CIS等。它的主要特征包含三層立體結構：1）主芯片等多顆芯片長微凸塊后倒裝；2）含硅通孔 (TSV) 的介質層（Si interposer）制作凸塊或錫球后，對應上下兩層結構；3）將介質層倒裝到基板上。
先進2.5D封裝技術的三層特征結構 圖源：Amkor
在2.5D封裝中，TSV（Through-Silicon Via）硅介質層技術能夠實現(xiàn)高密度連接，它通過在芯片上穿孔并填充導電材料，實現(xiàn)芯片內、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封測廠可以加工。
2.5D封裝是實現(xiàn)成本、性能和可靠性的完美平衡。在完成硅介質層中段模塊以后，它便能被貼合上封裝基板，形成異構性2.5D封裝。
2.5D 硅介質層TSV連接。圖源：Amkor
目前，Amkor 已經開發(fā)出兩種主要的2.5D封裝平臺，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，并導入大規(guī)模生產。CoW 平臺為新的升級結構制程，在 2018年開始大規(guī)模生產。
CoS技術旨在通過簡化封裝工藝來降低成本和復雜性，但在高功率散熱應用場景下，CoS中直接接觸的基板可能無法充分處理所有芯片產生的熱量。通常，CoS會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技術的簡單結構，熱量從芯片到基板的傳導可能不均勻，會導致出現(xiàn)熱點問題，現(xiàn)有的有機或陶瓷基板散熱能力不能滿足需求，基板材料的選擇和設計對其熱管理性能也至關重要。
這時，常溫下具有2000 W/m·K熱導率、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，越來越受到人們關注。
金剛石熱沉
目前，常見的Si、SiC和GaN等半導體材料熱導率都相對較低，通常不超過500 W/m·K；而大功率電子器件功率密度可達100 W·cm-2；同時，不同功能區(qū)域間的功率密度差異會導致芯片內部溫度分布的不均，局部熱點甚至是芯片平均發(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率熱沉材料，有望將積累的熱量有效導出，達到理想的散熱效果，已被廣泛認為是提高半導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，其熱導率均遠大于其他襯底材料，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
金剛石與半導體器件的連接方式決定了散熱效果的優(yōu)劣。金剛石若能與半導體材料直接連接，則可充分發(fā)揮金剛石熱導率高的特性，因此直連工藝研究一直是研究熱點。金剛石與半導體的直接連接主要方式有：1)金剛石與半導體間通過沉積工藝實現(xiàn)直接連接；2)金剛石與半導體間通過低溫鍵合實現(xiàn)直接連接。
現(xiàn)有金剛石與半導體器件連接工藝的技術路線圖
在制備好的半導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導致外延層開裂。同時，CVD工藝沉積金剛石散熱層時，一般需要在高溫（>700℃）及高濃度的氫等離子體氛圍下，會嚴重刻蝕Si、SiC和GaN等半導體，導致其電學等性能嚴重下降。
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體材料，然后去除襯底，并與金剛石襯底進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；并且半導體外延層和金則石熱沉基板可在鍵合前獨立制備，這精簡了金剛石基半導體器件的工藝。
低溫鍵合工藝雖然規(guī)避了外延生長的難點，但要求金剛石熱沉基板和半導體外延層表面平整、翹曲度小、表面粗糙度低（<1nm），這對目前加工工藝挑戰(zhàn)較大。此外，直接鍵合時的壓力大小和保壓時間等難以有效控制，導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現(xiàn)，目前還在實驗室探索階段，僅在毫米尺度的小尺寸芯片上獲得過成功，還無法大規(guī)模應用。
雖然金剛石散熱片最理想的應用方式是與芯片直連，但利用金屬進行芯片與基板間的間接連接封裝，在半導體行業(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、使用低熔點中間層（如金錫共晶合金）的瞬時液相擴散焊和納米銀低溫燒結等方式。
金剛石導熱應用領域介紹
1.高性能電子封裝材料
在高端電子設備中，金剛石導熱材料被用作封裝材料，以快速傳導芯片產生的熱量，防止熱積累導致的性能下降或損壞。金剛石的熱導率遠超傳統(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.激光設備散熱片
在激光技術領域，金剛石由于其優(yōu)異的導熱性能和光學透明性，被用作激光設備的關鍵散熱部件。這有助于提高激光器的輸出功率和穩(wěn)定性，同時延長其使用壽命。
3.航空航天領域的熱管理
在航空航天領域，金剛石導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，有效管理航天器內部設備的溫度，確保其正常運行。
4.高速列車制動系統(tǒng)
高速列車的制動系統(tǒng)在運行中會產生大量熱量，金剛石導熱材料的應用可以提高制動盤的散熱效率，減少熱衰退現(xiàn)象，提升制動系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。
5.LED照明和顯示技術
在LED照明和顯示技術中，金剛石導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產品的使用壽命。
6.新能源汽車熱管理
新能源電動汽車的熱管理系統(tǒng)對于電池性能和安全性至關重要。金剛石導熱材料的應用可以提高電池散熱效率，防止電池過熱，從而提升電動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，還能有效傳導熱量，提高爐膛的熱效率。
參考來源：
化合積電官網，Amkor官網，DT半導體
（中國粉體網編輯整理/輕言）
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