芯耀
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人工智能、深度学习、云计算及超级计算机等前沿领域，均对高性能芯片有着刚性需求。当下摩尔定律演进趋缓，芯片制程逐步触及物理边界，先进封装技术已然成为突破性能瓶颈的关键路径。其中 2.5D/3D 封装体系里，热导率可达 2000W/m・K 的金刚石热沉片，是化解高算力芯片散热难题的优质选择。
01 什么是 2.5D封装
先进封装是新一代前沿封装技术，通过优化芯片互联架构，将不同材质、不同制程线宽的半导体芯片与器件进行异质集成，在单一封装体系内实现高度整合，以此大幅提升集成电路的互联密度、集成度与整体性能。目前行业主流的先进封装技术涵盖倒装芯片封装（FC）、晶圆级封装（WLP）、系统级封装（SiP）以及2.5D/3D立体封装等多个技术路线。其中，2.5D/3D封装凭借高密度异构集成、高性能适配的核心优势，市场增速位居先进封装各细分领域首位，成为当前高端芯片封装的核心发展方向。
封装技术演进：从传统封装，到采用硅中介层的2.5D封装，到TSV垂直连接的3D封装。
2.5D封装技术诞生于2010年代，是主流的先进异构集成封装方案。该技术可将多颗不同功能芯片进行高密度信号互联并集成至同一封装内部，有效突破单芯片性能局限，广泛应用于CPU/GPU、ASIC、FPGA、3D NAND、HBM、CIS等高端芯片场景。2.5D封装具备典型的三层立体架构特征：第一，主芯片及各类功能芯片通过制备微凸块实现倒装贴合；第二，带有硅通孔（TSV）的硅中介介质层完成凸块与锡球制备，承担上下结构的信号互联与过渡作用；第三，将整体硅中介层倒装贴合至封装基板，形成完整的立体封装结构。
在2.5D封装架构中，TSV硅通孔介质层技术是实现高密度互联的核心关键。该技术通过在硅中介层基材上打孔并填充专用导电材料，构建垂直导通通道，可实现芯片内部、多芯片之间以及芯片与封装基板的多维垂直互联，大幅提升信号传输密度与效率。在工艺实现层面，3D TSV封装技术结构复杂、制程难度极高，仅少数头部晶圆代工厂（Foundry）具备量产能力。相比之下，2.5D TSV孔径尺寸更大、集成密度相对适中，制程工艺门槛更低，常规第三方封测厂商（OSAT）即可完成加工量产，适配性更广。
凭借工艺难度、产品性能与量产成本的多重优势，2.5D封装实现了性能、可靠性与生产成本的最优平衡。待硅中介层核心模块加工完成后，即可与封装基板精准贴合整合，最终形成高性能、高适配的异构集成2.5D封装结构，也是当前高端芯片规模化量产的优选方案。
在产业化落地方面，国际封测龙头Amkor已推出两套成熟的2.5D量产封装平台，分别为基板上芯片（CoS）与晶圆上芯片（CoW）。其中CoS平台于2014年研发落地并实现大规模量产，主打工艺简化、成本可控；升级版CoW平台则在结构与制程上完成升级，于2018年正式导入规模化生产，适配更高性能的封装需求。
CoS平台凭借简洁的工艺流程，有效降低了封装复杂度与生产成本，是目前应用最广泛的2.5D封装方案，但该架构存在明显的热管理短板。在高功率芯片工作场景中，芯片热量主要依靠底部基板单向传导，常规有机、陶瓷基板导热能力有限，无法快速疏导高密度热量。行业通常通过增设热界面材料、外置背部散热器等方式辅助散热，但受限于CoS简易的传热路径，热量传导均匀性较差，芯片表面极易形成局部热点，引发温度过高、性能受限等问题。由此可见，传统基板材料的散热瓶颈已成为制约2.5D封装高功率应用的核心因素，封装基材的性能选型对整体热管理效果起到决定性作用。
这时，常温下具有2000 W/m·K热导率、优异的介电性能以及较低的热膨胀系数的金刚石热沉材料出现在人们的视野中，越来越受到人们关注。
02 金刚石热沉
目前，常见的Si、SiC和GaN等半导体材料热导率都相对较低，通常不超过500 W/m·K；而大功率电子器件功率密度可达100 W·cm-2；同时，不同功能区域间的功率密度差异会导致芯片内部温度分布的不均，局部热点甚至是芯片平均发热功率密度的5~10倍。
金刚石片或膜是目前自然界存在的最高热导率热沉材料，有望将积累的热量有效导出，达到理想的散热效果，已被广泛认为是提高半导体器件散热能力的未来方案之一。无论是单晶金刚石，还是多晶金刚石，其热导率均远大于其他衬底材料，可作为替代其他散热衬底材料的更优方案。
金刚石与半导体器件的连接方式决定了散热效果的优劣。金刚石若能与半导体材料直接连接，则可充分发挥金刚石热导率高的特性，因此直连工艺研究一直是研究热点。
金刚石与半导体的直接连接主要方式有：
1)金刚石与半导体间通过沉积工艺实现直接连接
2)金刚石与半导体间通过低温键合实现直接连接
直接沉积金刚石膜可提升器件正向散热，但热膨胀失配易造成外延层开裂；且 CVD 高温氢等离子体环境会刻蚀硅、碳化硅、氮化镓材料，损害器件电学性能。
低温键合方案应运而生：先完成半导体外延制备，剥离衬底后与金刚石基板低温键合。单晶、多晶金刚石均可用作散热基底，材料可分开预制，简化器件制程。
该工艺对接触面平整度、翘曲度、粗糙度要求严苛，加工难度高；键合压力、时长把控难度大，样品易破损，大尺寸芯片量产受限，现阶段仅毫米级试样试验成功，暂无法规模化落地。
行业内更成熟的方案为金属间接封装互联，主流工艺包含软钎焊、瞬时液相扩散焊、纳米银低温烧结。
03金刚石导热应用领域介绍
依托极致的导热、耐高温、高稳定特性，金刚石材料除核心的芯片封装散热领域外，还可适配多行业高端热管理场景，形成完整的产业应用体系：
激光设备散热：凭借高导热与光学透明双重特性，用作高功率激光器散热构件，稳定设备输出功率，延长设备使用寿命。
航空航天热管理：耐受极端温差与复杂工况，用于航天器精密设备温控系统，保障航天器械稳定运行。
高速列车制动系统：应用于制动盘核心部件，快速疏导制动瞬时高温，减少热衰退，提升制动安全性与稳定性。
LED与显示产业：制备高端光电产品散热基板，降低芯片工作温度，避免发光衰减、屏幕异常，提升产品稳定性与寿命。
新能源汽车热管理：适配动力电池、车载算力、电控系统散热，规避电池热失控风险，提升整车安全与续航稳定性。
工业高温炉膛：作为耐高温炉衬材料，均匀传导热能、降低热损耗，提升工业高温设备的热能利用效率。
