近日，廈門大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院于大全、鐘毅老師團(tuán)隊(duì)與華為、廈門云天團(tuán)隊(duì)合作，在先進(jìn)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(jìn)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(guó)際權(quán)威期刊IEEE Electron Device Letters上，并被選為當(dāng)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(duì)算力的巨大需求，2.5D 及3D封裝技術(shù)受到越來(lái)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(shì)：1）優(yōu)良的高頻電學(xué)特性；2）大尺寸超薄玻璃襯底易于獲??；3）工藝流程簡(jiǎn)單，無(wú)需制作通孔側(cè)壁絕緣層；4）大尺寸襯底和簡(jiǎn)化工藝流程帶來(lái)的低成本優(yōu)勢(shì)。另一方面，無(wú)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(gè)有源芯片堆疊的3D集成，其更大的集成密度和功率密度對(duì)芯片熱管理提出了嚴(yán)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(qiáng)制空氣或液體冷卻，這些封裝級(jí)或者板級(jí)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(jí)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(zhǎng)溫度超過(guò)400℃，極易對(duì)芯片造成破壞。芯片級(jí)集成可規(guī)避圓片尺寸小、生長(zhǎng)溫度高的問(wèn)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(huì)引入較厚的焊接層，進(jìn)而導(dǎo)致較大的界面熱阻。當(dāng)前亟需一種低溫、低應(yīng)力、低界面熱阻的芯片級(jí)金剛石集成工藝。
研究?jī)?nèi)容
于大全教授團(tuán)隊(duì)與華為團(tuán)隊(duì)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(diǎn)保護(hù)、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(cè)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(diǎn)功率密度為~2 W/mm2時(shí)，集成金剛石散熱襯底使得芯片最高結(jié)溫降低高達(dá)24.1 ℃，芯片封裝熱阻降低28.5%。先進(jìn)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(jìn)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(xiàng)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(shí)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(shì)，同時(shí)與現(xiàn)有散熱方案有效兼容，成為當(dāng)前實(shí)現(xiàn)芯片高效散熱的重要突破路徑，并推動(dòng)了金剛石散熱襯底在先進(jìn)封裝芯片集成的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
該項(xiàng)工作由廈門大學(xué)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(jí)碩士生包舒超為第二作者，2021級(jí)碩士生江小帆為第五作者。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、校長(zhǎng)基金等科技計(jì)劃資助。廈門大學(xué)為成果的第一完成單位。
這是該課題組近兩年來(lái)連續(xù)在IEEE Electron Device Letters上發(fā)表的第6篇文章，團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了玻璃襯底天線、濾波器、電容等無(wú)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(shí)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(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(cè)試配置照片。
圖2. (a) 金剛石與帶有微凸塊的熱測(cè)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(cè)試芯片上有28個(gè)可獨(dú)立控制加熱的區(qū)域，(b)金剛石/熱測(cè)試芯片鍵合界面的空洞，(c)不同功率密度下的最大熱點(diǎn)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(cè)量溫度。
論文鏈接：
https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/10387492
（來(lái)源：DT半導(dǎo)體 ）
