近日，廈門大學電子科學與技術(shù)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(zhuǎn)接板集成芯片-金剛石散熱技術(shù)領(lǐng)域取得突破性進展，相關(guān)成果以“Heterogeneous Integration of Diamond-on-Chip-on-Glass Interposer for Efficient Thermal Management”為題發(fā)表在微電子器件封裝制造領(lǐng)域的國際權(quán)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(shù)的飛速發(fā)展及其對算力的巨大需求，2.5D 及3D封裝技術(shù)受到越來越多的關(guān)注。相比于硅轉(zhuǎn)接板，采用玻璃轉(zhuǎn)接板的2.5D封裝具有一下優(yōu)勢：1）優(yōu)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(cè)壁絕緣層；4）大尺寸襯底和簡化工藝流程帶來的低成本優(yōu)勢。另一方面，無論是采用硅轉(zhuǎn)接板還是玻璃轉(zhuǎn)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(zhàn)。目前的冷卻技術(shù)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(shù)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(dǎo)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(dǎo)致其與半導(dǎo)體襯底的晶圓級集成僅限于尺寸較小的III-V族半導(dǎo)體及化合物半導(dǎo)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(guī)避圓片尺寸小、生長溫度高的問題。然而，傳統(tǒng)的芯片鍵合技術(shù)，例如焊接和銀燒結(jié)，通常會引入較厚的焊接層，進而導(dǎo)致較大的界面熱阻。當前亟需一種低溫、低應(yīng)力、低界面熱阻的芯片級金剛石集成工藝。

       研究內(nèi)容

       于大全教授團隊與華為團隊合作開發(fā)了基于反應(yīng)性納米金屬層的金剛石低溫鍵合技術(shù)（該成果已發(fā)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(yè)難題，成功將多晶金剛石襯底集成到2.5D玻璃轉(zhuǎn)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(dǎo)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(jié)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(yōu)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(yīng)用前景。

圖2 多晶金剛石襯底集成到玻璃轉(zhuǎn)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(zhuǎn)接板技術(shù)相結(jié)合，首次實現(xiàn)了將多晶金剛石襯底集成到玻璃轉(zhuǎn)接板封裝芯片的背面。該技術(shù)路線符合電子設(shè)備尺寸小型化、重量輕量化的發(fā)展趨勢，同時與現(xiàn)有散熱方案有效兼容，成為當前實現(xiàn)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(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

       該項工作由廈門大學與華為公司、廈門云天半導(dǎo)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(xù)在IEEE Electron Device Letters上發(fā)表的第6篇文章，團隊系統(tǒng)研究了玻璃襯底天線、濾波器、電容等無源器件技術(shù)，玻璃轉(zhuǎn)基板及其金剛石襯底集成散熱技術(shù)，為高性能、高集成度、低成本的微系統(tǒng)三維集成提供理論和實踐支撐。

       圖文導(dǎo)讀

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(zhuǎn)接板，(b)鍵合在玻璃轉(zhuǎn)接板晶圓上的芯片，(c)集成金剛石-芯片-玻璃轉(zhuǎn)接板(DoCoG)的結(jié)構(gòu)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(qū)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