金刚石—AI芯片散热杀手锏

AI 芯片越强，散热越像一条生死线。

过去谈先进封装，大家更容易盯着算力、互连、HBM 和晶体管数量。但到了大模型和 AI factory 时代，问题开始变得很直接：芯片算得越快，热就越难带走；热带不走，再强的算力也只能降频。

这也是为什么最近金刚石热扩散片、金刚石-SiC 液冷板、玻璃基板和玻璃中介层频繁出现在产业报道里。今天要读的这篇论文，主角不是市场概念，而是一个非常具体的封装结构：Diamond-on-Chip-on-Glass interposer，简称 DoCoG。

它想回答的问题很硬：能不能把高导热金刚石直接集成到芯片背面，再和玻璃中介层封装在一起，让热点温度真正降下来？

图1：Diamond-on-Chip-on-Glass 封装结构示意

一、这篇论文想解决什么问题

玻璃中介层正在变重要

玻璃中介层可以理解为先进封装里的“高密度连接底座”。负责把逻辑芯片、存储、光电器件、射频器件等不同功能模块连接起来。

相比传统有机基板，玻璃有几个很有吸引力的特点：高频信号损耗低、适合制作细间距 TGV（through-glass vias，玻璃通孔）、透明性好，还可以通过材料设计调节热膨胀系数。

这也是为什么玻璃基板和玻璃中介层会受到先进封装关注。Intel 此前也把玻璃基板视为支撑未来更大封装、更高互连密度、乃至 2030 年万亿晶体管封装目标的重要方向。

但玻璃封装有一个天然短板

玻璃适合做互联，却不是天然的散热高手。

在异质集成里，不同芯片的功率密度差异很大，有些区域是局部热点，有些区域只是背景功耗。传统做法可能依赖热通孔、均热板、风冷或液冷系统，但这些方案往往会带来更大的体积、更高的能耗和更复杂的封装设计。

玻璃中介层把更多芯片连到了一起，也把热管理问题推到了封装中心。

这篇论文的切入点就在这里：如果玻璃中介层要承载高性能芯片，就必须给热点建立一条更短、更高效的散热路径。

金刚石为什么会被选中

金刚石热扩散片的优势非常直接：热导率高。

论文中使用的多晶金刚石热导率约为 1500 W/(m·K)。作为对比，铜的热导率大约是 400 W/(m·K)，硅大约是 150 W/(m·K)。在高热流密度场景下，这种差距不只是“参数更好看”，而是可能决定热点能不能被压住。

不过，金刚石并不是摆到芯片旁边就能解决问题。真正的难点是：如何把金刚石以低热阻、低温度预算、高可靠性的方式贴到芯片上。

二、DoCoG 封装到底是什么

名字里已经写出了结构

DoCoG 全称是 Diamond-on-Chip-on-Glass interposer。

按层级拆开看，就是：金刚石在芯片背面，芯片再集成到玻璃中介层上。热从硅芯片热点产生后，先进入背面的金刚石热扩散片，再通过散热器和环境交换。

这个结构的思路很清楚：

把金刚石放在离热点最近的位置，让热在进入复杂封装系统之前，先被快速摊开。

不是单纯做一个材料样品，而是把金刚石、硅芯片、焊点、玻璃中介层、底部再布线和散热器放进同一个封装验证链条里。

论文使用了真实封装流程

论文中的玻璃中介层并不是概念图，而是基于 6 英寸、200 µm 厚 AF32 玻璃晶圆 制作。

研究团队先在玻璃上制备 TGV 和 RDL（redistribution layer，再布线层），再把带有金刚石的硅热测试芯片倒装到玻璃中介层上，之后进行底填、塑封、背面研磨、植球和切割等流程。

这点很重要。因为封装散热技术最怕停留在“单个界面很漂亮”，但一进入真实封装流程就失效。这篇论文的价值之一，是把金刚石热扩散片放进了接近工程实践的封装链条。

关键参数一张表看懂

从这个设计可以看出，论文并不是在证明“金刚石很导热”这种常识，而是在验证：金刚石能否作为高性能散热器件，被真正集成到玻璃中介层封装中。

三、金刚石如何低温贴到芯片上

难点不是贴上去，而是低热阻贴上去

如果只追求机械连接，焊料、银烧结等方法都可以把金刚石和硅芯片接起来。

但热管理场景的要求更苛刻：连接层既要工艺温度低，不能破坏后端封装和焊点；又要热阻低，不能让界面成为“热瓶颈”；还要能承受后续多次回流焊和封装加工。

这也是论文为什么重点提出一种低温低压金刚石/硅键合技术。

Cu/Au 纳米层重结晶是核心

作者在金刚石和硅表面沉积了纳米级金属层。

金刚石侧包括 Ti/Cu/Ti/Au，硅侧包括 Ti/Au。最外层 Au 可以在室温下实现预键合，随后在 200°C、3 MPa、30 min 条件下完成键合。

在这个过程中，Cu、Au、Ti 发生互扩散和冶金反应，形成均匀的金属连接层。论文称这种方式兼具低键合温度和高再熔温度优势，理论上 CuAu 中间层再熔温度可超过 900°C，因此能够承受后续约 260°C 的多次焊料回流。

为什么要加入 Ti 层

这里有一个很细但很关键的设计：Ti 不只是粘附层。

论文指出，金属/金刚石界面的热边界电阻是整体热阻的重要来源。相比 Cu/diamond 界面，Ti/diamond 界面热边界电阻更低，因此作者用 Ti 层来降低金刚石/金属界面的热阻，同时增强粘附。

这套键合方案的目标不是“粘得住”而已，而是让金刚石的高热导率真的传到芯片热点上。

图2：金刚石与硅芯片低温键合流程

四、散热效果到底提升多少

怎么测温

为了量化散热效果，作者使用了硅基 TTV（thermal test vehicle，热测试芯片）。

这个测试芯片内部有多个可独立加热的区域，每个区域都可以模拟芯片热点，并通过二极管热传感器测量温度。换句话说，它不是只测一个平均温度，而是可以模拟真实微处理器中“局部高热流 + 背景功耗”的复杂发热状态。

论文设置了多个局部热点工况，也测试了全局均匀加热工况，以比较带金刚石和不带金刚石封装的散热差异。

核心结果非常直接

最关键的数据是：集成金刚石后，封装的 junction-to-ambient thermal resistance（结到环境热阻）从 2.6°C/W 降到 1.8°C/W，下降 **28.5%**。

在局部热点测试中，最高结温降低达到 24.1°C。对于高性能芯片来说，这不是小修小补，而是足以影响性能释放和可靠性的温度差。

这篇论文最硬的结果是：金刚石不是只在材料参数表上好看，而是在完整封装里真的把热点温度压下来了。

图3：不同热点功率密度下的温度降低结果

和其他冷却方案相比如何

论文还把结果和已有热点冷却方案做了对比。

例如，纳米银烧结金刚石/硅结构在特定热点下可降低约 14.1°C；AuSn 焊接的金刚石热扩散方案降低约 5.2°C；跳滴式均热腔在相关报道中降低小于 12.3°C；薄膜热电制冷器最高降低约 15.8°C。

在这个对比下，DoCoG 封装中 最高 24.1°C 的温度降低就很突出。更重要的是，它不是独立冷却器件，而是嵌入到了玻璃中介层封装流程里。

五、空洞为什么没有毁掉散热

键合界面并不完美

实际封装里，界面几乎不可能完全没有缺陷。

论文用扫描声学显微镜观察到，金刚石和 TTV 芯片的键合界面存在随机气泡，也就是空洞。空洞通常会被视为坏消息，因为空气导热很差，容易阻碍热流。

作者因此专门研究了不同空洞率对散热性能的影响，测试了约 1.7%、5.8%、9.6% 的界面空洞情况。

小于 10% 的空洞影响有限

实验结果有点反直觉：当空洞率低于 10% 时，对整体冷却能力的影响并不明显。论文给出的解释是，键合金属层的热导率远高于空洞，热流可以通过周围金属区域绕开局部空洞。换句话说，只要空洞不是连续阻断热路径，局部缺陷未必会摧毁整体散热表现。

这对工程实践很关键。因为它说明 DoCoG 不一定要求“完美无缺”的界面，工艺上存在一定容忍窗口。

需要注意的是，论文的结论不能被误读为“空洞无所谓”。只能说明在这套样品、这类金属连接层和小于 10% 空洞率的条件下，整体温度分布没有受到明显破坏。更高功耗、更大芯片、更长寿命热循环，空洞仍可能带来可靠性风险。

这项结果更合理的理解是：Cu/Au 金属键合层提供了热流绕行能力，让 DoCoG 在真实封装缺陷下仍然保持了较强鲁棒性。

六、这项工作有什么产业启发

AI 芯片散热需要更靠近热点

结合近期产业新闻看，AI 芯片热管理正在从系统级冷却一路下探到封装和材料层。

NVIDIA Rubin 平台和相关 AI factory 叙事强调更高密度、更复杂的系统协同设计；Coherent 2026 年发布的 Thermadite 800 金刚石-SiC 液冷板，也把金刚石相关材料推向高功率计算冷却场景。

这些新闻共同指向一个趋势：散热不再只是机柜和冷板的问题，而是从芯片背面、封装中介层到系统液冷的全链路问题。

DoCoG 的意义就在于，把金刚石热扩散片放在了非常靠近热点的位置。

单晶、多晶、复合材料会分工

现在谈金刚石散热，容易把所有路线混在一起。

实际上，不同金刚石材料适合的封装层级并不相同。

这篇论文采用的是多晶金刚石热扩散片，并把它集成到玻璃中介层封装中。因此它更像是芯片背面热扩散与先进封装之间的桥梁，而不是单纯的材料展示。

对玻璃中介层尤其有价值

玻璃中介层的优势在互连、电学和成本潜力上，但散热一直是一个需要补齐的短板。

DoCoG 提供了一种思路：不必让玻璃本身承担全部散热压力，而是在芯片背面引入高导热金刚石，把热点先摊开，再交给外部散热器处理。

如果玻璃中介层负责连接，金刚石就负责把热从热点处拉走。两者组合起来，才更接近高性能异质集成需要的封装形态。

这也是本文和产业热点真正发生关系的地方：市场关注的是 AI 芯片散热材料，而论文回答的是这些材料如何进入封装结构。

七、局限与思考

论文还没有回答所有问题

这项工作非常有启发，但不是终点。

首先，论文使用的是热测试芯片，不是真实处理器。TTV 能很好地模拟热点和功耗分布，但真实芯片还会涉及更复杂的版图、电源完整性、机械应力和长期可靠性。

界面热阻仍是核心战场

金刚石热导率很高，但只要界面热阻太大，优势就会被堵在芯片外面。

这篇论文用 Ti/Cu/Au 纳米层和低温重结晶键合来降低界面热阻，本质上是在解决“材料好但热进不去”的问题。

对未来金刚石热管理来说，真正的竞争点可能不只是金刚石本身的热导率，而是金刚石与硅、玻璃、金属层、TIM、冷板之间每一个界面的热阻和可靠性。

这篇论文最值得带走的，不是“金刚石导热很好”这个结论，而是给出了一个更工程化的答案。

把金刚石从单独材料，放进了真实封装流程；把散热从材料参数，落到了键合温度、界面热阻、空洞容忍度和结温实测上。

一句话总结：DoCoG 的价值在于，不是证明金刚石有多强，而是证明金刚石可以更现实地进入先进封装散热路径。

论文信息

• 论文标题：Heterogeneous Integration of Diamond-on-Chip-on-Glass Interposer for Efficient Thermal Management
• 作者：Yi Zhong, Shuchao Bao, Yimin He, Ran He, Xiaofan Jiang, Hengbo Zhang, Yuchun Zhao, Yang Wang, Lu Zhao, Wenbiao Ruan, Yu Chen, Mingchuan Zhang, Daquan Yu
• 期刊：IEEE Electron Device Letters, 2024, Vol. 45, No. 3
• DOI：10.1109/LED.2024.3351990

关注我，一起读懂金刚石、先进封装与 AI 芯片热管理。