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       近年来，随着电子器件性能的不断提升，热管理已成为电子封装设计中的一大挑战。高功率密度和复杂的异质集成技术，使得有效散热成为确保器件稳定运行的关键因素。厦门大学与华为公司合作，在这一领域取得了重要进展，他们研发了一种基于金刚石的创新热管理技术。该技术通过异质集成的方式，将金刚石直接集成到芯片和玻璃中，实现了显著的散热性能提升。这项研究不仅展示了金刚石作为热扩散器的巨大潜力，还为未来高性能电子封装的散热技术提供了新的解决方案。

       金刚石：高效热扩散材料的理想选择

       金刚石以其极高的各向同性热导率（约1500 W/m·K）成为了理想的热扩散材料。过去几十年，科学家们通过多种方法尝试将金刚石应用于电子器件的散热管理中。例如，通过化学气相沉积（CVD）在半导体上直接生长多晶金刚石，或者通过高温高压条件下将金刚石与半导体直接结合。这些方法虽然展现出了一定的效果，但由于工艺温度过高（通常超过400℃）或引入较大的热阻，限制了其在现代芯片封装中的广泛应用。为了克服这一挑战，厦大与华为提出了一种低温结合技术，通过纳米层Cu/Au再结晶，将金刚石与硅芯片进行结合，并集成到玻璃中，形成“金刚石-芯片-玻璃”异质集成封装。这种新型封装结构在保持高性能散热的同时，显著降低了界面热阻，提高了封装的散热效率。

       低温结合技术的突破

       传统的芯片结合技术，如焊接或银烧结，往往会引入较大的热阻，导致散热效率降低。为了提高散热性能，研究团队开发了一种低温、低压力的结合工艺。在这一过程中，金刚石和芯片通过0.5 MPa的压力在常温下预结合，然后在200℃的条件下进行结合，避免了传统高温工艺带来的损害。结合过程中，采用了纳米层Cu/Au作为金属中间层，Ti作为附着层，以增强金刚石与芯片之间的附着力并降低热边界电阻（TBR）。通过Cu-Au-Ti的金属扩散和冶金反应，形成了均匀的结合界面，确保了高温稳定性和多次焊接操作的兼容性。这一技术不仅有效解决了高温结合带来的挑战，还通过降低界面热阻，确保了金刚石在高功率密度条件下的有效散热。

       异质集成封装的热管理优势

       在该研究中，研究人员使用了一种特制的硅基热测试芯片来表征金刚石集成的散热性能。该测试芯片通过倒装芯片技术与玻璃中介层连接，形成了完整的异质集成封装。在封装过程中，研究团队通过压缩模塑工艺包覆了环氧模塑料（EMC），并在金刚石背面磨去多余的材料，以进一步促进散热。

       测试结果显示，与未集成金刚石的封装相比，集成了金刚石的封装在多个高热通量加热条件下，芯片的最高温度降低了约24.1℃，热阻降低了28.5%。这一结果表明，金刚石的加入大大提升了封装的散热性能。

       此外，测试还分析了结合界面中存在的空隙对散热性能的影响。研究表明，即使结合界面中的空隙率达到9.6%，对整体散热性能的影响依然较小。这是因为金属结合层的导热率远高于空隙的导热率，热量主要通过金属传导。

       与现有散热技术的对比

       研究团队还将金刚石集成封装的散热性能与现有的先进散热技术进行了比较。结果显示，金刚石集成封装的散热效果优于多种现有技术。例如，纳米银烧结技术在高热通量条件下的温度降低为14.1℃，而AuSn焊接技术的温度降低仅为5.2℃。相比之下，金刚石集成封装在相同条件下实现了更大的温度降低，表现出了更优越的散热性能。

       应用前景与未来发展

       该研究展示了低温结合技术与金刚石集成封装在热管理方面的巨大潜力。通过有效降低热阻，这一技术为现代电子器件的热管理提供了全新的解决方案，尤其是在高功率、高性能芯片封装领域。未来，这一技术有望进一步扩展到其他高效冷却装置的集成中，如热电设备、微通道冷却器和蒸汽腔冷却器。

       总之，这项研究不仅推动了金刚石在热管理中的应用进程，还为未来高性能电子器件的散热设计提供了重要的技术支持。通过将这一低温结合技术应用于实际芯片封装中，为解决异质集成系统的热管理难题迈出了重要一步。