來源 | Carbontech

隨著半導體芯片的系統集成向更高密度、更多功能、更大功率和智能化的方向發展，芯片內部高性能高功率處理區域中單位面積的發熱量也不斷增加。通常，將芯片內的高性能高功率處理區域稱為熱點區域。熱點區域作為芯片內的主要熱源，若熱點區域的溫度較高，會導致芯片總體性能較差。

金剛石以其低介電常數、高導熱率以及良好的機械性能等優勢，被廣泛用于散熱材料。金剛石在半導體器件中的應用形式可包括封裝級金剛石焊接、晶圓級金剛石鍵合以及異質材料金剛石鍍膜。以異質材料金剛石鍍膜為例，雖然金剛石導熱效率高，但由于異質材料與金剛石之間難以形成穩定的化學鍵，金剛石散熱層與異質材料之間的界面結合力欠佳，無法實現良好的界面結合，使得金剛石散熱層容易脫落。

并且，在金剛石散熱層的制作過程中，金剛石鍍膜形核過程中的氫等離子體可能對異質材料表面造成刻蝕損傷，導致金剛石生成后會在界面形成空洞，同樣也會降低生長界面的結合力。此外，生長后的金剛石表面還需要研磨拋光，以形成期望的金剛石散熱層，而界面結合力較弱易導致金剛石在研磨拋光后脫落并失效。

基于此，12月3日，華為技術有限公司公布一項名為“一種半導體器件及其制作方法、集成電路、電子設備”的專利。據了解，該專利提供了一種半導體器件及其制作方法、集成電路、電子設備，增加金剛石散熱層與鈍化層的接觸面積，改善金剛石散熱層與鈍化層之間的結合力，并且通過減小金剛石散熱層與柵極之間的熱擴散距離，提高半導體器件的散熱效率。

10-半導體器件、11-第一外延層、12-鈍化層、13-金剛石散熱層、14-柵極、15-源極、16-漏極、121-凹槽

專利顯示，半導體器件可以包括第一外延層、鈍化層和金剛石散熱層。其中，鈍化層位于第一外延層和金剛石散熱層之間。第一外延層背離鈍化層的一側設置有柵極。鈍化層朝向金剛石散熱層的一側表面設置有凹槽。沿半導體器件的厚度方向，凹槽在第一外延層上的投影覆蓋柵極的至少部分。金剛石散熱層可覆蓋鈍化層并且填充凹槽。

在該專利的半導體器件中，鈍化層的凹槽結構可以增加金剛石散熱層與鈍化層之間的接觸面積，從而增加金剛石散熱層與鈍化層之間的結合力。隨著半導體器件的工作時間越長，半導體器件會不斷發熱，其中，柵極區域產生的熱量較多。凹槽可以減小柵極與金剛石散熱層之間沿半導體器件的厚度方向的距離，從而可以減小柵極與金剛石散熱層之間的熱擴散距離，并且金剛石散熱層在凹槽內的傳熱面積較大，可減小金剛石散熱層的熱阻，進而可提高半導體器件的散熱效率。

近年來，華為在金剛石散熱領域不斷取得重要進展。2023年3月，華為用于芯片散熱的兩項復合導熱材料專利公布。專利說明書顯示，兩項專利以不同的技術方案獲取芯片散熱的復合導熱材料，其中一個技術方案以鐵磁性顆粒材料作為導熱填料；另一個技術方案則以金剛石顆粒材料為主要散熱材料。兩個技術方案經實驗驗證，較傳統硅脂等界面導熱材料的導熱性能，有大幅度的提升。可廣泛適用于，手機、電腦、服務器等電子設備中。

2023年11月，華為和哈爾濱工業大學聯合申請的“一種基于硅和金剛石的三維集成芯片的混合鍵合方法”專利公開。這項專利涉及一種將鉆石材料與石墨烯相結合的方法，以實現三維異質集成。這種方法可以快速導出芯片產生的熱量，并減少熱阻，從而提高芯片的散熱效率。

2024年2月，華為技術團隊與廈門大學于大全、鐘毅老師團隊、廈門云天團隊合作，在先進封裝玻璃轉接板集成芯片-金剛石散熱技術領域取得突破性進展。這項研究將金剛石低溫鍵合與玻璃轉接板技術相結合，首次實現了將多晶金剛石襯底集成到玻璃轉接板封裝芯片的背面。該技術路線符合電子設備尺寸小型化、重量輕量化的發展趨勢，同時與現有散熱方案有效兼容，成為當前實現芯片高效散熱的重要突破路徑，并推動了金剛石散熱襯底在先進封裝芯片集成的產業化發展。

華為的這些專利技術充分展示了其在金剛石散熱技術方面的創新能力，隨著技術的進一步成熟和應用，相信金剛石將在半導體散熱領域發揮越來越重要的作用，為手機、電腦等產品的散熱問題提供更為高效的解決方案。

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