在現(xiàn)代電子工業(yè)中，熱管理是一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。半導(dǎo)體器件產(chǎn)生大量的廢熱，這些廢熱必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)有效地消散，以維持器件的性能和可靠性。這些熱量通過具有顯著熱阻的層和界面從器件熱點(diǎn)傳遞到換熱器進(jìn)行散熱。最近的研究主要集中在用高導(dǎo)熱材料取代普通襯底以降低總體熱阻。金剛石的各向同性是所有塊狀材料中最高的，這使它成為芯片冷卻的理想散熱材料。模擬表明，薄金剛石可以將熱阻降低20%。然而，金剛石冷卻器在實(shí)際應(yīng)用中的進(jìn)展仍然有限。實(shí)現(xiàn)低熱邊界阻(TBR)的金剛石近結(jié)集成是一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。

金剛石在器件上的成功集成在很大程度上取決于金剛石/半導(dǎo)體連接接口的設(shè)計(jì)。這些接口的優(yōu)化對于最小化TBR，同時(shí)確保足夠的機(jī)械穩(wěn)健性以承受長期可靠運(yùn)行至關(guān)重要。此外，應(yīng)避免高加工溫度，因?yàn)樗鼈儗?shí)現(xiàn)與半導(dǎo)體制造工藝。此外，在芯片封裝過程中，金剛石/半導(dǎo)體連接需要表現(xiàn)出足夠的熱穩(wěn)定性，以承受隨后的焊料回流(溫度高達(dá)300°C)。

由于金剛石和半導(dǎo)體在晶格常數(shù)、硬度、德拜溫度和熱膨脹系數(shù)(CTE)等方面存在廣泛的不匹配，因此解決這些問題需要付出專門的努力。在過去的幾十年里，人們進(jìn)行了各種各樣的嘗試，其中涉及三種主要的技術(shù)方法：在金剛石上外延生長半導(dǎo)體；化學(xué)氣相沉積法(CVD)直接生長金剛石以及金剛石與半導(dǎo)體的結(jié)合。然而，目前這些方法面臨著TBR大、加工溫度高、可靠性低和效率有限等挑戰(zhàn)。

近日，廈門大學(xué)鐘毅和華為技術(shù)有限公司赫然聯(lián)合針對解決現(xiàn)代電子器件的熱管理問題取得最新進(jìn)展。該文提出了一種集體晶圓級鍵合技術(shù)，通過反應(yīng)性金屬納米層在 200°C 下連接多晶金剛石和半導(dǎo)體。由此產(chǎn)生的硅/金剛石連接具有 9.74m2GW-1的超低 TBR ，大大優(yōu)于傳統(tǒng)的芯片連接技術(shù)。這些連接還表現(xiàn)出卓越的可靠性，可承受至少1000次熱循環(huán)和1000小時(shí)的高溫/潮濕考驗(yàn)。這些特性與所設(shè)計(jì)的金屬夾層的再結(jié)晶微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。該演示代表了金剛石在半導(dǎo)體上的低溫和高通量集成的進(jìn)步，有可能使目前受熱限制的電子應(yīng)用成為可能。研究成果以“Low-temperature bonding of Si and polycrystalline diamond with ultra-low thermal boundary resistance by reactive nanolayers”為題發(fā)表在《Journal of Materials Science & Technology 》。

圖文導(dǎo)讀

圖1. 晶圓級硅/金剛石鍵合工藝示意圖。

圖2. (a) 2英寸金剛石晶片與Si模結(jié)合的照片，(b)掃描聲顯微鏡測定的典型鍵合孔隙率，(c)截面顯微結(jié)構(gòu)顯示出一條均勻的結(jié)合線。

圖3.  (a) Si/金剛石結(jié)合層的TEM分析，(b, c) Si/metal和金剛石/metal界面的高分辨率TEM圖像，(d)掃描線上EDS元素濃度分布圖，(e)鍵合樣品的XRD譜圖，表明CuAu固溶相的形成。

圖4. (a)室溫預(yù)鍵合后的金剛石/硅界面微觀結(jié)構(gòu)(b) Ti納米層中明顯的晶界。

圖5. Si/金剛石連接通過兩步工藝實(shí)現(xiàn):室溫AuAu預(yù)鍵合和低溫Cu-Au-Ti再結(jié)晶。

圖6. (a)電子封裝中的TBR示意圖和(b)相應(yīng)的溫升。

圖7. (a) TDTR的設(shè)置示意圖和測試樣品的結(jié)構(gòu)，(b) TDTR幅度信號作為延遲時(shí)間的函數(shù)。