近日，廈門大學電子科學與技術學院于大全、鐘毅老師團隊與華為、廈門云天團隊合作，在先進封裝玻璃轉接板集成芯片-金剛石散熱技術領域取得突破性進展，相關成果以“Heterogeneous Integration of Diamond-on-Chip-on-Glass Interposer for Efficient Thermal Management”為題發表在微電子器件封裝制造領域的國際權威期刊IEEE Electron Device Letters上，并被選為當期封面文章（Front cover）及編輯精選文章（Editors’ Picks）。

背景介紹

隨著AI技術的飛速發展及其對算力的巨大需求，2.5D 及3D封裝技術受到越來越多的關注。相比于硅轉接板，采用玻璃轉接板的2.5D封裝具有一下優勢：1）優良的高頻電學特性；2）大尺寸超薄玻璃襯底易于獲?。?）工藝流程簡單，無需制作通孔側壁絕緣層；4）大尺寸襯底和簡化工藝流程帶來的低成本優勢。另一方面，無論是采用硅轉接板還是玻璃轉接板的2.5D封裝，以及多個有源芯片堆疊的3D集成，其更大的集成密度和功率密度對芯片熱管理提出了嚴峻的挑戰。目前的冷卻技術主要依賴于熱通孔、均熱板、強制空氣或液體冷卻，這些封裝級或者板級的散熱技術造成了更大的外形尺寸和顯著的能源消耗。

金剛石具有極高的各向同性熱電導率（1000-2200 W/(mK)），作為散熱器具有廣闊的前景。目前金剛石的人工合成受限于5英寸圓片，導致其與半導體襯底的晶圓級集成僅限于尺寸較小的III-V族半導體及化合物半導體（GaN、SiC）等；此外，人造金剛石的生長溫度超過400℃，極易對芯片造成破壞。芯片級集成可規避圓片尺寸小、生長溫度高的問題。然而，傳統的芯片鍵合技術，例如焊接和銀燒結，通常會引入較厚的焊接層，進而導致較大的界面熱阻。當前亟需一種低溫、低應力、低界面熱阻的芯片級金剛石集成工藝。

研究內容

于大全教授團隊與華為團隊合作開發了基于反應性納米金屬層的金剛石低溫鍵合技術（該成果已發表在Journal of Materials Science & Technology, 188, 37-43, 2014），克服微凸點保護、晶圓翹曲等行業難題，成功將多晶金剛石襯底集成到2.5D玻璃轉接板（Interposer）封裝芯片的背面，并采用熱測試芯片（TTV）研究其散熱特性。利用金剛石的超高熱導率，在芯片熱點功率密度為~2 W/mm2時，集成金剛石散熱襯底使得芯片最高結溫降低高達24.1 ℃，芯片封裝熱阻降低28.5%。先進封裝芯片-金剛石具有極為優越的散熱性能，基于金剛石襯底的先進封裝集成芯片散熱具有重大的應用前景。

圖2 多晶金剛石襯底集成到玻璃轉接板封裝芯片背面

及其散熱性能表征

這項研究將金剛石低溫鍵合與玻璃轉接板技術相結合，首次實現了將多晶金剛石襯底集成到玻璃轉接板封裝芯片的背面。該技術路線符合電子設備尺寸小型化、重量輕量化的發展趨勢，同時與現有散熱方案有效兼容，成為當前實現芯片高效散熱的重要突破路徑，并推動了金剛石散熱襯底在先進封裝芯片集成的產業化發展。 

該項工作由廈門大學與華為公司、廈門云天半導體科技有限公司合作完成，鐘毅助理教授為論文第一作者兼共同通訊作者，2020級碩士生包舒超為第二作者，2021級碩士生江小帆為第五作者。該研究工作得到了國家自然科學基金、校長基金等科技計劃資助。廈門大學為成果的第一完成單位。 

這是該課題組近兩年來連續在IEEE Electron Device Letters上發表的第6篇文章，團隊系統研究了玻璃襯底天線、濾波器、電容等無源器件技術，玻璃轉基板及其金剛石襯底集成散熱技術，為高性能、高集成度、低成本的微系統三維集成提供理論和實踐支撐。

圖1. (a)用于金剛石/芯片封裝的帶有玻璃通孔(TGV)和再分配層(RDLs)的6英寸玻璃轉接板，(b)鍵合在玻璃轉接板晶圓上的芯片，(c)集成金剛石-芯片-玻璃轉接板(DoCoG)的結構示意圖，(d) DoCoG封裝熱測試配置照片。

圖2. (a) 金剛石與帶有微凸塊的熱測試芯片鍵合工藝示意圖，(b)金剛石/硅鍵合界面的SEM和(c) TEM分析，(d)~(g) C、Si、Ti、Cu和Au元素的EDS分布圖。

圖3. (a) 熱測試芯片上有28個可獨立控制加熱的區域，(b)金剛石/熱測試芯片鍵合界面的空洞，(c)不同功率密度下的最大熱點溫度，(d)和(e)分別是不同鍵合孔隙率下，以功率密度作為局部高熱流加熱和全局均勻熱流加熱的測量溫度。 

論文鏈接：

https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/10387492

 （來源：DT半導體 ）