来源 | IEEE原文 | https://doi.org/10.1109/ICEPT63120.2024.10668738

　　DOI

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　　背景介绍

　　随着人工智能、自动驾驶、移动设备、5G通信、物联网的快速发展，对高性能、多功能、小型化芯片的需求呈指数级增长。为了满足这些行业需求，利用先进的封装技术，提出了芯片和芯片模块化的概念。其中，2.5D中间层封装技术作为Chiplet模块化方法的代表脱颖而出。它可以将多个芯片（如处理器、存储器和传感器）异构集成到单个基板上，从而促进不同间距的高密度互连。这种集成显著提高了系统性能。2.5D晶片封装由于其广阔的应用前景和技术优势，在图形处理单元、高带宽存储器、可编程逻辑器件和超级计算芯片中得到了广泛的应用。然而，在高性能芯片，特别是超级计算芯片中集成了大量晶体管，导致了加热密度的显著增加。这种升高的温度会改变设备的工作特性，缩短其使用寿命，并导致热不匹配，从而影响性能、功能和可靠性。因此，有效的热管理已成为发展先进半导体器件的关键挑战。

　　金刚石以其优异的硬度、高导热性和热稳定性而闻名，是理想的散热材料。利用这些特性，金刚石被用作2.5D中间层封装的散热器。我们之前的研究已经证明了单片集成的金刚石-片上玻璃中间层，导致显著提高冷却性能。本研究提出了一种基于金属纳米中间层的金刚石-硅键合方案，并通过热模拟验证了金刚石对多晶片、高计算和高功率场景下散热性能的影响。

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　　成果掠影

　　近日，厦门大学钟毅教授团队针对半导体器件的小型化和性能增强显著提高的功率密度带来了的热管理挑战问题取得最新进展。这项研究旨在通过利用2.5D中间层封装中金刚石的优越导热性来解决这些热挑战，这在高性能计算和电力电子中越来越重要。我们提出了一种利用金属纳米中间层的创新金刚石-硅键合方案，并通过热模拟验证了其对多芯片、高计算和高功率场景下冷却性能的影响。详细介绍了等离子体活化低温键合样品的制备工艺，并对其键合质量进行了评价。此外，还对多个芯片进行了热模拟，包括一个高性能超级计算芯片和两个高带宽存储器（HBM）芯片。热建模表明，集成金刚石散热片可将实际2.5D芯片封装中的最高温度降低20%以上，功率密度高于1.5 W/mm²。本研究提出了一种非常有前途的异质集成散热技术策略，为先进晶片封装中卓越的热管理解决方案奠定了基础。研究成果以“Heterogeneous Integration of Diamond-on-Chip-onInterposer for High-Performance Thermal Management in Supercomputing 2.5D Chiplets Packaging”为题发表在《IEEE》期刊。

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　　图文导读

　　图1.制备工艺及键合工艺示意图。

　　图2.(a)剪切力试验示意图(b)抗剪强度试验结果。

　　图3.SAT (a) 4英寸硅片(b) 8mm × 8mm矩形金刚石-硅结合样品。

　　图4. 仿真模型图。

　　图5. 最大功率密度为1.5 W/mm²的小芯片热模拟结果分析。金年会

　　图6. 最大封装温度与功率密度线图。

　　图7. 不同的金刚石散热片结构(a)整体式金刚石(b)分布式金刚石。

　　图8. 集成式和分散式金刚石散热层的散热效果比较。

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