金刚石热沉在高算力Chiplet的热管理技术中的应用

随着集成电路尺寸微缩逼近物理极限以及受限于光罩面积，芯粒（Chiplet） 技术将成为集成电路发展的关键路径之一，支撑人工智能和高性能计算不断发展。大尺寸、高算力Chiplet面临着热功耗高、热分布不均、热输运困难等挑战，Chiplet热管理已成为后摩尔时代集成电路发展的重大挑战之一。

金刚石的高导热率、低热膨胀系数和优异的抗热冲击性能，使其成为热管理领域的理想材料，尤其是在导热界面材料、复合材料等前沿应用中展现了强大的潜力。在多层次复杂系统中，高效地散热意味着不仅能够提升系统的稳定性，还能有效延长设备的使用寿命，降低能耗和故障率。如今，在高功率密度设备中，如何精确、高效地传递和散发热量，是提升性能的关键环节。而通过金刚石材料的引入，这一问题正逐步得到解决。以下为金刚石作为热管理材料在Chiplet热管理中的应用方案。

微通道两相冷却

微通道单相冷却技术可以实现对 500 W/cm2 以下量级热流密度芯片的有效冷却，然而当芯片热流密度达到 500 W/cm2甚至1kW/cm2量级时，单相冷却方案便不能满足冷却需求。采用两相冷却技术可以充分利用冷却工质的相变潜热，实现微通道冷却能力的进一步提升。

2017年，IBM 的 CHAINER等提出了微针肋强化换热的放射状微通道，该嵌入式相变冷却结构如图1所示。使用 R1234ze 冷却剂进行冷却，工质由中心位置进入并向四周流动。针对背景热流密度为350 W/cm2、热点热流密度为 2000 W/cm2的芯片，该结构可实现最高温升约为65℃。

图1 嵌入式相变冷却结构

2017年，斯坦福大学的 PALKO等提出了一种基于高导热金刚石和表面烧结铜球的相变换热微槽结构，如图2所示。该结构利用金刚石的优异导热性，可以有效地传导热量，利用烧结铜球表面的多孔特性，可以增加毛细力与相变传热的表面积。仿真结果表明，该方案可实现对 5 kW/cm2局部热点热流密度和1 kW/cm2背景热流密度的冷却，冷却结构内的最大温升为 5.6 K。

图2 基于高导热金刚石和表面烧结铜球的相变换热微槽结构

高导热材料的均热技术

高导热衬底材料可以消除局部热点，缓解 Chiplet热管理中热分布不均的情况。具有极高热导率的金刚石材料已经成为器件的理想衬底材料，例如通过将金刚石集成到 GaN 器件附近，可以显著降低热阻，有效排散 GaN 器件产生的热量。美国 DARPA 在 2011年启动的 ICECool 项目，其中有一项就是采用金刚石等高导热材料代替常规的 SiC 衬底，最近推动的THREADS 技术也同样明确了金刚石等高导热材料的使用。

2015 年，英国航空公司的 CHU等开展了针对GaN-金刚石的低温键合方法的研究，获得了金刚石基的GaN器件，金刚石基GaN与SiC基GaN HEMT的红外热成像结果如图28所示。在频率为10 GHz、漏极偏压为 40 V的条件下，金刚石基GaN HEMT 射频器件的最大功率密度可达11 W/mm，比传统的 SiC基GaN HEMT高出3.6倍。

图3 金刚石基GaN与SiC基GaN HEMT的红外热成像结果

2024年，某研究团队等将金刚石低温键合技术与玻璃转接板技术相结合，首次实现了将多晶金刚石衬底集成到玻璃转接板封装芯片的背面，图4为其结构示意图。

图4 金刚石衬底与玻璃转接板封装芯片集成结构示意图

利用金刚石的超高热导率，在芯片热点功率密度为 2 W/mm2时集成金刚石散热衬底，使得芯片的最高结温降低了24.1℃，芯片封装热阻降低了28.5%。微通道自适应调控与高导热材料均热技术都可以实现超过20℃的降温，因此微通道自适应调控与高导热材料均热技术均具有有效性和实用性。

凯发k8国际凯发k8国际拥有MPCVD、PVD、MOCVD等国际一流设备,是国内率先实现MPCVD规模化量产多晶金刚石的厂家,拥有先进的金刚石制备和加工工艺,自主研发的产品达国际领先水平。目前已有成熟产品:金刚石热沉片、金刚石晶圆、金刚石窗口片、金刚石异质集成复合衬底等，其中金刚石热沉片热导率100-220W/(m·k)，晶圆级金刚石表面粗糙度Ra<1nm，目前已应用于航空航天、高功率半导体激光器、光通信、芯片散热、核聚变等领域。

来源：冯剑雨，陈钏, 曹立强, 等. 高算力 Chiplet 的热管理技术研究进展[J]. 电子与封装, 2024, 24（10）：100205.