Благодаря своей сверхвысокой теплопроводности алмаз становится ключевым материалом для преодоления теплового барьера в высокочастотных и мощных чипах. Непосредственная интеграция чипа на алмазную подложку позволяет значительно снизить тепловое сопротивление вблизи перехода и температуру перехода, что делает этот подход идеальным решением для термоуправления в высокопроизводительных чипах и 3D-корпусировании. Практическая ценность этого направления привлекает всё большее внимание отрасли.
Устранение проблемы коробления (изгиба) подложки является критическим шагом для применения алмазных плёнок в процессах соединения чипов.
Для решения этого ключевого ограничения группа исследователей под руководством профессора Цзян Наня из Нинбоского института материаловедения и инженерии Китайской академии наук (CAS) разработала инновационную технологию, позволяющую без ухудшения качества плёнки снизить величину коробления алмазной плёнки более чем на порядок и обеспечить её свойства самоприлипания и самонесущей способности.
По мере дальнейшего развития высокопроизводительных вычислений, мощных коммуникационных устройств и технологий 3D-корпусирования управление тепловыделением становится ключевым ограничением для повышения производительности чипов. Особенно в случае карбида кремния, нитрида галлия (третье поколение полупроводников) и вычислительных чипов, работающих при высокой мощности, плотность теплового потока настолько велика, что традиционные решения по снижению теплового сопротивления от корпуса к внешней среде становятся всё менее эффективными. Прорывом становится схема высокоэффективного теплоотвода за счёт соединения чипа с высокотеплопроводной подложкой, что уменьшает тепловое сопротивление вблизи перехода.
Однако проблема контроля напряжений на уровне материалов — обусловленная различием коэффициентов теплового расширения алмаза и подложки, а также сложностями с подбором режимов зарождения и роста плёнки — приводит к тому, что после удаления исходной подложки традиционные алмазные плёнки имеют слишком большое коробление, что не позволяет удовлетворить жёсткие требования к сверхвысокой плоскостности для процессов соединения.
Для решения проблемы коробления группа Цзян Наня изготовила 4-дюймовую самонесущую алмазную плёнку толщиной менее 100 мкм. В самонесущем состоянии величина коробления этой плёнки стабильно удерживается в пределах 10 мкм, что более чем на порядок меньше, чем у плёнок, полученных по обычной технологии.
Особенно важно, что столь малая кривизна придаёт плёнке исключительную плоскостность, благодаря чему она демонстрирует эффект «самоприлипания» к стеклянной подложке без внешнего воздействия.
«Обычно два сверхплоских объекта самопроизвольно прилипают друг к другу только при непосредственном контакте. То, что алмазная плёнка и стеклянная пластина прилипают друг к другу, говорит о том, что самонесущая алмазная плёнка чрезвычайно плоская и практически лишена коробления».
Именно эта сверхплоскостность в самонесущем состоянии позволяет алмазной плёнке реально соответствовать требованиям современных технологий соединения чипов. Одновременно ультратонкая самонесущая структура открывает широкие возможности для гибкости и многовариантности при проектировании корпусов.
Данный результат не только прокладывает технологический путь для соединения на алмазных подложках, но и демонстрирует потенциал применения алмазных плёнок в гетерогенной интеграции и 3D-стэкинге при передовой сборке.
«Переход алмазного материала от теоретической ценности сверхвысокой теплопроводности к промышленно масштабируемому, пригодному для корпусирования и плотного контакта технологическому процессу становится общим консенсусом и целью, а также фокусом конкурентной борьбы в области термоуправления для чипов нового поколения».
