随着5G通信、人工智能、高性能计算和电动汽车等技术的飞速发展，电子器件的功率密度不断提高，芯片产生的热量呈指数级增长。传统热管理材料已难以满足先进封装技术的散热需求，热管理成为制约电子器件性能提升的关键瓶颈。在这一背景下，金刚石热沉片凭借其卓越的物理特性，正在先进封装热管理领域掀起一场材料革命。
先进封装技术通过将多个芯片以2.5D/3D方式堆叠集成，大幅提高了器件功能密度和互连效率，但也带来了前所未有的热管理挑战。随着芯片特征尺寸不断缩小至纳米级，单位面积功耗急剧增加，热量在微小空间内高度集中。传统封装结构中，热界面材料的热导率通常仅为1-5 W/m·K，而芯片内部热点温度可达150℃以上，严重影响了器件性能和可靠性。因此，开发超高热导率的散热材料已成为先进封装技术发展的迫切需求。
金刚石是自然界已知热导率最高的材料，还具有高热稳定性（空气中可承受600℃以上高温）、低热膨胀系数（约1×10⁻⁶/K）、优异的电绝缘性和化学惰性等特性，使其成为先进封装热管理的理想选择。
热界面材料是连接芯片与散热器之间的关键桥梁，其热导率直接影响整体散热效率。传统聚合物基TIMs的热导率通常低于5 W/m·K。而通过将高纯度金刚石微粉或纳米颗粒填充到聚合物基体中，可显著提高复合材料的热导率。采用表面功能化处理的纳米金刚石颗粒（粒径50-100nm）与高质量石墨烯片协同填充的复合材料，热导率可达30-50 W/m·K，比传统TIMs提高了一个数量级。这种复合TIMs在低填充率（<20 vol%）下即可实现高热导率，同时保持良好的加工性能和机械柔韧性。
对于功率器件和射频器件，金刚石衬底可直接集成在芯片下方，形成高效散热通道。金刚石上生长GaN（GaN-on-Diamond）：通过化学气相沉积（CVD）在单晶金刚石上外延生长GaN层，形成直接键合结构，界面热阻极低。实验表明，与传统SiC衬底相比，金刚石衬底可使GaN HEMT器件的沟道温度降低40-60%。
金刚石散热层转移技术：将高质量CVD金刚石薄膜（厚度50-300μm）通过金属化键合工艺转移至芯片背面，作为高效散热扩散层。该技术可与现有半导体工艺兼容，适用于Si、SiC和GaAs等多种半导体材料。
在2.5D/3D先进封装中，金刚石可用于形成垂直热通孔（Through-Diamond Vias, TDVs），有效解决中间芯片散热难题。通过在金刚石层中制备高密度微孔并填充高导热金属（如铜），形成贯穿整个封装体的高效散热通道，将堆叠芯片内部热量直接传导至外部散热装置。
研究数据表明，直径10μm、间距50μm的金刚石热通孔阵列，其等效热导率可达600-800 W/m·K，比传统硅通孔（TSV）提高10倍以上，同时占用面积减少60%。
随着芯片互连密度不断提高，封装基板和中介层的热管理能力也变得至关重要。金刚石凭借其高热导率和低介电常数（ε_r≈5.7），可作为高性能封装基板材料：
金刚石-金属复合材料基板：通过粉末冶金或熔渗工艺制备的金刚石-铜/金刚石-铝复合材料，热导率可达400-800 W/m·K，同时热膨胀系数可调（5-10×10⁻⁶/K），与常见半导体材料匹配良好。
金刚石中介层（Interposer）：在2.5D封装中，金刚石中介层不仅提供芯片间的高速互连，还可作为高效散热平台，将多个芯片产生的热量均匀分布并快速导出。
金刚石凭借其卓越的物理特性，正在重新定义先进封装热管理的技术边界。从热界面材料到散热衬底，从热通孔到基板中介层，金刚石为应对日益严峻的芯片散热挑战提供了革命性解决方案。
随着全球半导体产业对高效散热解决方案的需求日益迫切，金刚石这一“终极散热材料”的应用前景广阔，其产业化进程不仅将重塑先进封装技术格局，还可能催生全新的器件架构和应用范式，为整个电子信息产业的发展注入强大动力。
化合积电是一家专注于宽禁带半导体材料研发、生产和销售的国家高新技术企业，核心产品有多晶金刚石(晶圆级金刚石、金刚石热沉片、金刚石窗口片、金刚石基复合衬底)、单晶金刚石(热学级、光学级、电子级、硼掺杂、氮掺杂)和金刚石复合材料等，引领金刚石及新一代材料革新，赋能高端工业化应用，公司产品广泛应用于激光器、GPU/CPU、医疗器械、5G基站、大功率LED、新能源汽车、新能源光伏、航空航天和国防军工等领域。
