金刚石散热，华为再取得重要突破！

学术 2024-12-13 11:40 河南

来源：磨料磨具

随着半导体芯片的系统集成向更高密度、更多功能、更大功率和智能化的方向发展，芯片内部高性能高功率处理区域中单位面积的发热量也不断增加。通常，将芯片内的高性能高功率处理区域称为热点区域。热点区域作为芯片内的主要热源，若热点区域的温度较高，会导致芯片总体性能较差。

金刚石以其低介电常数、高导热率以及良好的机械性能等优势，被广泛用于散热材料。金刚石在半导体器件中的应用形式可包括封装级金刚石焊接、晶圆级金刚石键合以及异质材料金刚石镀膜。以异质材料金刚石镀膜为例，虽然金刚石导热效率高，但由于异质材料与金刚石之间难以形成稳定的化学键，金刚石散热层与异质材料之间的界面结合力欠佳，无法实现良好的界面结合，使得金刚石散热层容易脱落。

并且，在金刚石散热层的制作过程中，金刚石镀膜形核过程中的氢等离子体可能对异质材料表面造成刻蚀损伤，导致金刚石生成后会在界面形成空洞，同样也会降低生长界面的结合力。此外，生长后的金刚石表面还需要研磨抛光，以形成期望的金刚石散热层，而界面结合力较弱易导致金刚石在研磨抛光后脱落并失效。

基于此，12月3日，华为技术有限公司公布一项名为“一种半导体器件及其制作方法、集成电路、电子设备”的专利。据了解，该专利提供了一种半导体器件及其制作方法、集成电路、电子设备，增加金刚石散热层与钝化层的接触面积，改善金刚石散热层与钝化层之间的结合力，并且通过减小金刚石散热层与栅极之间的热扩散距离，提高半导体器件的散热效率。

10-半导体器件、11-第一外延层、12-钝化层、13-金刚石散热层、14-栅极、15-源极、16-漏极、121-凹槽

专利显示，半导体器件可以包括第一外延层、钝化层和金刚石散热层。其中，钝化层位于第一外延层和金刚石散热层之间。第一外延层背离钝化层的一侧设置有栅极。钝化层朝向金刚石散热层的一侧表面设置有凹槽。沿半导体器件的厚度方向，凹槽在第一外延层上的投影覆盖栅极的至少部分。金刚石散热层可覆盖钝化层并且填充凹槽。

在该专利的半导体器件中，钝化层的凹槽结构可以增加金刚石散热层与钝化层之间的接触面积，从而增加金刚石散热层与钝化层之间的结合力。随着半导体器件的工作时间越长，半导体器件会不断发热，其中，栅极区域产生的热量较多。凹槽可以减小栅极与金刚石散热层之间沿半导体器件的厚度方向的距离，从而可以减小栅极与金刚石散热层之间的热扩散距离，并且金刚石散热层在凹槽内的传热面积较大，可减小金刚石散热层的热阻，进而可提高半导体器件的散热效率。

近年来，华为在金刚石散热领域不断取得重要进展。2023年3月，华为用于芯片散热的两项复合导热材料专利公布。专利说明书显示，两项专利以不同的技术方案获取芯片散热的复合导热材料，其中一个技术方案以铁磁性颗粒材料作为导热填料；另一个技术方案则以金刚石颗粒材料为主要散热材料。两个技术方案经实验验证，较传统硅脂等界面导热材料的导热性能，有大幅度的提升。可广泛适用于，手机、电脑、服务器等电子设备中。

2023年11月，华为和哈尔滨工业大学联合申请的“一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法”专利公开。这项专利涉及一种将钻石材料与石墨烯相结合的方法，以实现三维异质集成。这种方法可以快速导出芯片产生的热量，并减少热阻，从而提高芯片的散热效率。

2024年2月，华为技术团队与厦门大学于大全、钟毅老师团队、厦门云天团队合作，在先进封装玻璃转接板集成芯片-金刚石散热技术领域取得突破性进展。这项研究将金刚石低温键合与玻璃转接板技术相结合，首次实现了将多晶金刚石衬底集成到玻璃转接板封装芯片的背面。该技术路线符合电子设备尺寸小型化、重量轻量化的发展趋势，同时与现有散热方案有效兼容，成为当前实现芯片高效散热的重要突破路径，并推动了金刚石散热衬底在先进封装芯片集成的产业化发展。

华为的这些专利技术充分展示了其在金刚石散热技术方面的创新能力，随着技术的进一步成熟和应用，相信金刚石将在半导体散热领域发挥越来越重要的作用，为手机、电脑等产品的散热问题提供更为高效的解决方案。

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