金刚石散热技术实现重大突破！

发布时间：2025-06-27 15:33:44 | 浏览量： 23次

在高性能计算、大功率通信器件及三维集成技术加速迭代的产业浪潮中，热管理已成为制约芯片性能跃升的核心技术瓶颈。尤其是以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体器件在高频、高功率场景下产生的极端热流密度，使传统硅基散热方案逐渐触及性能天花板。




作为热导率最高的材料，金刚石在理论与实验中展现出优异的散热能力，其在散热基底、热沉、片上集成等方向的潜在价值正快速获得行业重估。然而，材料层面尚未彻底解决的应力控制与工艺适配难题，始终阻碍其产业化步伐。




近日，中国科学院宁波材料所宣布突破性进展——成功研制出4英寸超薄、超低翘曲金刚石自支撑薄膜，为该技术从实验室走向工业封装应用奠定了关键技术基础。



当前金刚石散热技术主要沿两大路径演进：其一，将金刚石作为复合基板与硅、GaN或SiC材料结合，构建协同散热体系；其二，通过化学气相沉积（CVD）工艺制备金刚石热沉或薄膜，实现与芯片热源的直接物理接触。但无论何种技术路线，均面临"剥离衬底后严重翘曲变形"的共性挑战——当薄膜厚度降至100微米以下、尺寸扩展至2英寸以上时，内应力累积与界面生长不均匀性将导致显著形变，直接突破热压封装工艺的形位公差要求。这一顽疾长期限制了金刚石材料在芯片级直接键合散热场景中的规模化渗透，尽管其理论散热性能远超铜、氮化铝等传统介质。




研究人员通过优化气相沉积工艺，改良衬底脱除与热处理流程，成功实现了在不牺牲膜质量的前提下，明显降低金刚石自支撑薄膜应力与翘曲。该团队制备的4英寸金刚石薄膜，厚度小于100 μm，翘曲度控制在10 μm以内，且在无外力条件下可牢固贴附于玻璃基板，具备自吸附能力。这一性能表现不仅满足芯片热沉键合的翘曲要求，也为将金刚石薄膜纳入异质集成、3D堆叠等先进封装工艺提供了可能。



这项技术突破在产业链中具有深远的意义。金刚石热管理材料的产业链可粗分为四大环节：材料合成、形貌控制与晶面取向、结构加工与精密切割，以及与芯片或封装结构的对接集成。其中，第一环节我国产业已基本形成从高纯气源（如甲烷、氢气）到反应设备（CVD系统）的本地配套，部分企业已实现大面积金刚石薄膜的商业化生长；第二环节则是实现薄膜质量与应力控制的核心，在此处宁波材料所的成果填补了关键技术空白；而后两者——精密加工与封装集成——目前仍由少数海外企业具备全流程能力，成为国产材料走向产业端的关键关口。




尤其在芯片封装领域，将金刚石薄膜直接键合于功率器件芯片（如GaN功率放大器）表面，可明显降低界面热阻，并稳定芯片结温，进而延长寿命、提升频率稳定性。过去，由于金刚石表面粗糙度大、翘曲高，封装厂商多采用贴附铜中间层的方式实现间接散热，但这大幅牺牲了金刚石优异的热导率。因此，实现表面低应力、高平整度的自支撑结构，是实现“芯片-金刚石”直接热耦合的前提，而这一制程工艺若能标准化，将成为热管理方案从实验验证向晶圆级封装体系跨越的起点。




从市场前景分析，金刚石散热材料的核心战场集中在5G通信、新能源汽车、数据中心等高热流密度领域。尤其在AI服务器GPU热设计功耗突破400W的当下，传统风冷系统已触及散热效率极限，热管理能耗占比超过系统总功耗的40%，成为制约算力升级的非线性瓶颈。相较于传统石墨-铜复合结构，金刚石材料凭借其独特的热-电综合性能，有望通过直接封装于芯片热源区域实现散热效能质的飞跃。目前，国际厂商如Coherent、Element Six已推出商用金刚石热沉产品，目标直指NVIDIA、AMD等顶级芯片制造商，而国内产业尚处于工程样片验证与特种领域应用阶段。




展望产业演进方向，金刚石散热技术正经历从"材料特性验证"向"工程化制造"的战略转型。制约其规模应用的核心矛盾已从单纯追求热导率指标，转向热膨胀匹配、界面可靠性、加工适应性等工程化技术攻关。谁能率先构建"材料-器件-封装"的垂直整合能力，谁就能在下一代热管理技术竞争中占据制高点。当前，国内科研机构如中国电科38所、南昌大学、北京航材院等正加速推进自支撑金刚石膜工艺开发，同时半导体装备企业也在积极布局激光精密切割、超声研磨等专用加工设备。




这项技术突破不仅填补了我国在高端热管理材料领域的技术空白，更为构建自主可控的芯片散热产业链提供了核心材料支撑。金刚石材料从"实验室性能标杆"向"可制造、可集成、可量产"的工程化跃迁，正成为全球半导体热管理技术竞赛的焦点。未来，围绕标准化接口、工艺鲁棒性及封装兼容性的持续创新，将决定金刚石能否从"学术明星"蜕变为"产业基石"的关键路径。

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碳方程50200A MPCVD设备采用915MHZ的微波频率及50KW运行功率，该设备单炉可生产8英寸多晶产品，若用于生产单晶金刚石，单炉能够稳定产出多达 489 片尺寸为 7*7mm 的单晶金刚石，更大尺寸的多晶产品意味着更高的生产效率和更低的单位成本，能够满足客户大规模生产的需求。同时，我们的设备在技术方面也有着诸多创新和突破，确保了产品的高质量和稳定性。有效降低生产成本，提高产品的市场竞争力。



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