厦门大学于大全教授团队与华为团队合作 在先进封装金刚石散热技术领域取得突破

日期:2024-03-20 阅读:273
核心提示:近日,厦门大学电子科学与技术学院于大全、钟毅老师团队与华为、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

 近日,厦门大学电子科学与技术学院于大全、钟毅老师团队与华为、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,相关成果以“Heterogeneous Integration of Diamond-on-Chip-on-Glass Interposer for Efficient Thermal Management”为题发表在微电子器件封装制造领域的国际权威期刊IEEE Electron Device Letters上,并被选为当期封面文章(Front cover)及编辑精选文章(Editors’ Picks)。

背景介绍

随着AI技术的飞速发展及其对算力的巨大需求,2.5D 及3D封装技术受到越来越多的关注。相比于硅转接板,采用玻璃转接板的2.5D封装具有一下优势:1)优良的高频电学特性;2)大尺寸超薄玻璃衬底易于获取;3)工艺流程简单,无需制作通孔侧壁绝缘层;4)大尺寸衬底和简化工艺流程带来的低成本优势。另一方面,无论是采用硅转接板还是玻璃转接板的2.5D封装,以及多个有源芯片堆叠的3D集成,其更大的集成密度和功率密度对芯片热管理提出了严峻的挑战。目前的冷却技术主要依赖于热通孔、均热板、强制空气或液体冷却,这些封装级或者板级的散热技术造成了更大的外形尺寸和显著的能源消耗。

金刚石具有极高的各向同性热电导率(1000-2200 W/(mK)),作为散热器具有广阔的前景。目前金刚石的人工合成受限于5英寸圆片,导致其与半导体衬底的晶圆级集成仅限于尺寸较小的III-V族半导体及化合物半导体(GaN、SiC)等;此外,人造金刚石的生长温度超过400℃,极易对芯片造成破坏。芯片级集成可规避圆片尺寸小、生长温度高的问题。然而,传统的芯片键合技术,例如焊接和银烧结,通常会引入较厚的焊接层,进而导致较大的界面热阻。当前亟需一种低温、低应力、低界面热阻的芯片级金刚石集成工艺。

研究内容

于大全教授团队与华为团队合作开发了基于反应性纳米金属层的金刚石低温键合技术(该成果已发表在Journal of Materials Science & Technology, 188, 37-43, 2014),克服微凸点保护、晶圆翘曲等行业难题,成功将多晶金刚石衬底集成到2.5D玻璃转接板(Interposer)封装芯片的背面,并采用热测试芯片(TTV)研究其散热特性。利用金刚石的超高热导率,在芯片热点功率密度为~2 W/mm2时,集成金刚石散热衬底使得芯片最高结温降低高达24.1 ℃,芯片封装热阻降低28.5%。先进封装芯片-金刚石具有极为优越的散热性能,基于金刚石衬底的先进封装集成芯片散热具有重大的应用前景。

图2 多晶金刚石衬底集成到玻璃转接板封装芯片背面

及其散热性能表征

 

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。 

该项工作由厦门大学与华为公司、厦门云天半导体科技有限公司合作完成,钟毅助理教授为论文第一作者兼共同通讯作者,2020级硕士生包舒超为第二作者,2021级硕士生江小帆为第五作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、校长基金等科技计划资助。厦门大学为成果的第一完成单位。 

这是该课题组近两年来连续在IEEE Electron Device Letters上发表的第6篇文章,团队系统研究了玻璃衬底天线、滤波器、电容等无源器件技术,玻璃转基板及其金刚石衬底集成散热技术,为高性能、高集成度、低成本的微系统三维集成提供理论和实践支撑。

 

图1. (a)用于金刚石/芯片封装的带有玻璃通孔(TGV)和再分配层(RDLs)的6英寸玻璃转接板,(b)键合在玻璃转接板晶圆上的芯片,(c)集成金刚石-芯片-玻璃转接板(DoCoG)的结构示意图,(d) DoCoG封装热测试配置照片。

 

图2. (a) 金刚石与带有微凸块的热测试芯片键合工艺示意图,(b)金刚石/硅键合界面的SEM和(c) TEM分析,(d)~(g) C、Si、Ti、Cu和Au元素的EDS分布图。

 

图3. (a) 热测试芯片上有28个可独立控制加热的区域,(b)金刚石/热测试芯片键合界面的空洞,(c)不同功率密度下的最大热点温度,(d)和(e)分别是不同键合孔隙率下,以功率密度作为局部高热流加热和全局均匀热流加热的测量温度。 

论文链接:

https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/10387492

 (来源:DT半导体 )

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