金刚石散热薄膜，“硬撑”不“屈曲”

凭借超高热导率，金刚石成为突破高频大功率芯片散热瓶颈的关键材料——将芯片直接键合到金刚石衬底上，能显著降低近结热阻与结温，被视为未来高性能芯片及3D封装热管理的理想方案，其应用价值日益受到行业关注。

解决衬底翘曲问题，成为金刚石薄膜应用于芯片键合的关键一步。

针对这一核心瓶颈，中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员江南带领功能碳素材料团队通过创新技术，在不牺牲膜质量的前提下，将金刚石薄膜翘曲度减小一个数量级以上，实现其自吸附与自支撑特性。

超低翘曲金刚石自支撑薄膜实物拍摄（正面）。

江南向《中国科学报》介绍，随着高性能计算、大功率通信器件及3D封装技术的持续演进，热管理已成为制约芯片性能提升的核心瓶颈。

特别是碳化硅、氮化镓第三代半导体及算力芯片等在大功率工作下产生的高热流密度，使得传统通过降低壳体到外环境热阻的散热解决方案逐渐难以为继。通过将芯片和高导热衬底键（接）合，来降低近结热阻的高效散热方案，成为破局关键。

然而，材料层面的应力控制难题——源于金刚石与衬底热膨胀系数的本征差异及形核、生长工艺适配性问题——导致传统金刚石薄膜去除衬底后翘曲度过大，始终难以满足键合工艺对衬底超高平坦度的严苛要求。

针对衬底翘曲问题，江南团队制备出4英寸自支撑金刚石薄膜，厚度小于100μm。该薄膜在自支撑状态下翘曲度稳定控制在10μm以内，较常规工艺制备的金刚石薄膜降低超过一个数量级。

尤为关键的是，这种超低翘曲度赋予了薄膜超乎寻常的平坦特性，使其展现出无需外力即可贴附玻璃基板的“自吸附”现象。

“通常只有两个超平坦的平面物体相互接触后，才会自动吸附到一起，此次金刚石薄膜和玻璃平板能自吸附到一起，说明该自支撑金刚石薄膜非常平坦，几乎无翘曲。”江南强调。

正是这种自支撑状态下的超平坦特性，使金刚石薄膜真正可以适配当前芯片键合制程。

同时，超薄的自支撑结构为封装设计带来了高度的灵活度和多维选择性。

该成果不仅打通了金刚石衬底键合的技术通道，更使其在异质集成与3D堆叠等先进封装工艺中展现出应用潜力。

“金刚石材料从超高热导率的理论价值，向可量产、能封装、能贴合的实际工艺跃迁，正成为共识与目标，也是新一代芯片热管理技术竞争的焦点。”江南补充道。