本文由厦门大学于大全团队联合华为技术有限公司、厦门云天半导体科技有限公司共同完成，发表于IEEE《Electron Device Letters》。针对玻璃中介层异质集成中的热管理瓶颈，团队提出了一种金刚石-芯片-玻璃中介层（DoCoG）创新架构，通过纳米层Cu/Au再结晶技术实现了金刚石与硅芯片的200℃低温键合，突破了传统金刚石集成工艺温度高、热阻大的局限。实验表明，该封装结构的结到环境热阻降低28.5%，热点最高降温达24.1℃，性能优于纳米银烧结、蒸汽腔等主流散热方案。该技术兼容现有后端封装工艺，为高功率密度异构集成芯片的高效热管理提供了可扩展的通用解决方案。
摘要
热管理是现代电子封装设计中的关键挑战。本文提出了一种金刚石-芯片-玻璃中介层（DoCoG）技术，该技术采用具有卓越热导率的多晶金刚石散热衬底。这些金刚石直接键合在玻璃中介层上硅芯片的背面，从而显著提升了冷却性能。由于金刚石的集成，结温至环境的热阻降低了28.5%。实现这种多层堆叠的DoCoG集成与高效冷却，需要一种结合最小键合热预算、高工作温度和低热边界电阻的金刚石/芯片连接技术。为应对这一挑战，本研究提出了一种通过纳米层铜/金再结晶实现的低温键合技术，并研究了键合空隙对整体冷却性能的影响。这些成果代表了向通用方法迈出的重要一步，有望将高性能散热器可行地集成到电子封装中，从而可能实现目前受限于热管理问题的异质集成应用。
一、引言
近年来，玻璃中介层因其卓越特性受到广泛关注，包括高频信号的低损耗传输、适用于精细间距互连的低成本玻璃通孔（TGV）、用于共封装光学（CPO）的高透明度以及可调节热膨胀系数（CTE）以实现可靠封装设计。这使得玻璃中介层在高性能逻辑、存储、光电子和5G射频器件的异质集成方面极具前景。
然而，热管理是玻璃中介层异质集成设计中的关键挑战。这些集成涉及各种具有高度非均匀功率密度的器件组合。目前对这些封装的冷却通常依赖于过度设计的导热通孔、庞大的蒸汽腔以及强制空气或液体热系统，导致更大的外形尺寸和显著的能耗。最近的研究工作集中在改善连接芯片热点与冷却剂的导热路径。金刚石以其极高的各向同性热导率（λ），作为有效芯片冷却的散热器具有巨大潜力。过去几十年中，包括在金刚石上外延生长半导体、通过化学气相沉积（CVD）在半导体上直接生长多晶金刚石，以及将金刚石键合到半导体上等多种尝试，都旨在促进金刚石散热器的应用。然而，当前方法面临诸如高工艺温度/压力和大热阻等挑战。金刚石的直接生长通常需要超过400°C的高温，这对与现代芯片封装工艺的兼容性提出了挑战。而传统的芯片贴装技术，如焊接和银烧结，往往引入显著的热阻。
在本研究中，我们报道了通过纳米层金属再结晶实现金刚石与硅的低温键合，并将其集成到最先进的玻璃中介层封装中。金刚石-芯片-玻璃中介层（DoCoG）封装实现了显著提升的冷却性能。进一步研究了键合空隙对整体冷却性能的影响，以指导后续工程实践。
二、制备结果与讨论
玻璃中介层采用6英寸晶圆制造，如图1所示。在200微米厚的AF32玻璃晶圆上，通过激光诱导湿法蚀刻制造TGV。沉积0.5微米Ti/2微米Cu种子层，用于双面Cu电镀。随后，通过化学机械抛光（CMP）去除多余Cu。通过光刻和电镀在两侧制造再分布层（RDLs）。涂覆介电层，并通过光刻暴露Cu焊盘。
图1. (a) 用于金刚石/芯片封装的带玻璃通孔（TGV）与再分布层（RDLs）的6英寸玻璃中介层晶圆。(b) 玻璃中介层晶圆上的芯片-晶圆键合工艺示意图。(c) 金刚石-芯片-玻璃中介层（DoCoG）集成结构示意图。(d) DoCoG封装热测试配置实物照片。
低温Si/金刚石键合涉及将带有Sn3.5Ag焊料凸点的Si芯片和尺寸为12毫米×6毫米×400微米的多晶金刚石衬底，在室温下使用临时胶以约0.5 MPa的压力组装到载体晶圆上（如图2(a)所示）。金刚石和芯片均以相同的对准模式组装到集体晶圆中。Si和金刚石的表面经过仔细清洁。随后，沉积设计的金属层，包括金刚石上的8纳米Ti/200纳米Cu/5纳米Ti/20纳米Au层，以及Si上的8纳米Ti/20纳米Au层。最外层为纳米层Au涂层，可在室温下实现预键合。Cu中间层用于促进Cu-Au冶金反应并增强键合可靠性。热边界电阻（TBR）的主要来源来自金属/金刚石界面，据报道Cu/金刚石界面的TBR是Ti/金刚石界面的三倍。此处，Ti粘附层用于最小化金刚石/金属界面的TBR并增强粘附强度。此外，我们引入了具有高λ和纳米级厚度的反应性Cu/Au层以降低热阻。这些技术共同旨在降低金刚石与Si之间的TBR。
图2. (a) 带焊料凸点的金刚石与Si芯片键合工艺示意图。(b) 金刚石/Si键合线的SEM图像；(c) 同一样品的TEM分析结果。(d)~(g) C、Si、Ti、Cu、Au元素的EDS面分布图。
金刚石衬底通过晶圆对准叠放在相应芯片上方，然后通过Au-Au冷焊在室温下预键合，随后在200°C和3 MPa压力下键合30分钟。随后解键合并释放载体晶圆，得到用于后续芯片至晶圆玻璃中介层封装的金刚石/芯片键合对。低温和低压键合条件防止了对焊料凸点造成不可修复的损伤，这些凸点在回流后恢复其原始外观。
如图2(b)所示，在Si和金刚石材料之间形成了均匀的金属键合层。初始键合界面（IBI）具有一些残余空隙，通过Cu-Au-Ti相互扩散和冶金反应实现了固结和再结晶过程。这一点通过图2(c)的透射电子显微镜（TEM）分析和图2(d)~(g)的能量色散光谱（EDS）得到确认。这种芯片贴装技术具有低温键合的优点，同时保持高再熔化温度（根据相图，CuAu中间层金属的理论值超过900°C）。因此，它可以承受后续约260°C的多次焊料回流。
采用特别设计的硅基热测试载具（TTV）来表征金刚石集成芯片的热性能。尺寸为12毫米×6毫米×200微米的TTV芯片，使用我们优化的键合技术键合到厚度为400微米、热导率约为1500 W/m·K的金刚石上。TTV/金刚石样品通过倒装芯片键合与底部填充剂连接到玻璃中介层，如图1(a)和(b)所示。随后，中介层晶圆通过环氧模塑料（EMC）进行压缩模塑。金刚石背面的多余EMC材料被磨掉以促进散热。封装晶圆经过进一步处理，如凸点制作和切割。图1(c)展示了测试封装的结构。在金刚石散热器上安装了空气冷却散热器，通过热界面材料（TIM）将热量最终散发到环境（图1(d)）。此外，还测试了未集成金刚石的600微米厚TTV芯片作为基准。
三、热特性分析
每个TTV在其结层包含多个基本单元，排列成阵列，标记为1至20（图3(a)）。一个基本单元包括一个模拟热源的加热硅电阻和一个用于温度测量的温度敏感二极管传感器。每个基本单元的面积为0.9×1.8 mm²。二极管尺寸约为20×30微米²，位于每个单元的中心。加热电阻器占据基础单元面积的约85%，对称分布在二极管周围。电阻器和二极管的电压值通过四线开尔文连接进行监测。二极管的灵敏度约为1.5 mV/°C@1mA。对于21至28区，两个基本单元的加热电阻器串联合并，但其热传感器未合并。因此，可以独立控制28个区域进行加热，并使用36个温度传感器进行温度检测。
对金刚石/TTV芯片的键合界面进行扫描声学显微镜检查，发现存在随机气泡作为空隙。这些空隙预计会作为热绝缘体，导致热传递延迟。因此，研究了键合空隙对整体冷却性能的影响。测试并分析了具有不同孔隙率（1.7%、5.8%和9.6%）的样品，如图3(b)所示。图3(c)展示了在金刚石/TTV中具有9.6%空隙的情况下，选择性加热不同区域（即具有较少空隙的区域3和3&4，以及具有更明显空隙的区域13和13&14）时的热点温度。测量结果表明，这些具有不同孔隙率的区域对温度分布影响最小。进一步在局部高热通量（热点热通量条件列于表I）和全局均匀加热条件下，进行了不同功率密度的测试。结果分别展示在图3(d)和图3(e)中。温度分布相对一致，变化较小。这些发现表明，孔隙率小于10%的空隙对冷却能力影响最小。这可以归因于键合金属层的热导率比空隙高几个数量级，使得热流主要通过金属旁路传输。
将DoCoG封装的热性能与未集成金刚石的封装进行比较。在局部高热通量加热下进行了四种测试案例，以模拟真实微处理器，如表I所示。这些图像基于离散传感器测量的温度创建的二维等温线图。在案例1中，最大结温降低了24.1°C，局部热点的最大功率密度约为2 W/mm²，位于TTV芯片近中心核心区域。背景功率密度约为0.2 W/mm²，对应总功耗约为33 W。由于集成了金刚石，结温至环境的热阻降低了28.5%（从2.6°C/W降至1.8°C/W）。在类似最大热通量1.5 W/mm²下，案例2和案例3的热点位置不同，但显示出类似的最高温度下降约20°C。在案例4中，功率密度较案例3增加，对应总功耗约为45 W，温度下降略有增加，达到21.4°C。
表Ⅰ 不同热通量条件下的实测温度
将降低的热点温度与现有最先进的芯片冷却技术进行比较。具体而言，对于厚度为200微米的Si芯片和厚度为400微米的金刚石，使用纳米银烧结技术在热点处实现了14.1°C的最大温度降低，热点尺寸为3×0.5 mm²，热通量高达15 W/mm²。相比之下，使用AuSn焊接仅在热点处实现了5.2°C的最大温度降低，热点尺寸为0.45×0.3 mm²，热通量为9.3 W/mm²。最近开发的高性能跳跃滴蒸汽腔在热通量为2 W/mm²时，热点温度降低<12.3°C。对于主动热电冷却器，报道的最高温度降低为15.8°C，热点尺寸为0.4×0.4 mm²，热通量高达13 W/mm²。这些结果表明，我们的金刚石集成封装实现了卓越的冷却性能。
四、结论
本文提出并演示了一种通过纳米层Cu/Au再结晶实现金刚石散热器与半导体低温低压键合的技术。利用该键合技术，成功将金刚石集成到实际的硅芯片中，并嵌入最先进的玻璃中介层封装中。该封装实现了卓越的冷却性能，由于金刚石的集成，结温至环境的热阻降低了28.5%。所提出的方法与现代后端电子封装工艺具有良好的兼容性。该技术有潜力扩展到包括热电设备、微通道和蒸汽腔在内的各种其他散热器的集成。这些发现为将高性能散热器集成到电子封装中以实现高效冷却，特别是针对异质集成电子芯片，展现了良好的前景。
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