Northrop Grumman获700万美元资助，研发金刚石散热芯片技术

在半导体行业，散热早已成为制约高功率器件性能释放的一大瓶颈。尤其在射频领域，以氮化镓（GaN）为代表的宽禁带半导体虽然具备很强的输出能力，但工作时产生的大量热量，始终限制着芯片的功率上限。

近日，Northrop Grumman拿到美国国防部高级研究计划局（DARPA）总价值700万美元的合同，正式开启THREADS项目第二阶段研发，目标是把金刚石直接嵌入半导体芯片内部，用“钻石制冷”解锁射频芯片全新性能边界。

据悉，THREADS项目全称是“电子器件尺度热移除技术”，DARPA启动这一计划的初衷是为了解决军用射频半导体的器件级散热难题。当下，军用雷达、卫星通信所用的射频芯片普遍存在一个现实困境：为避免芯片过热烧毁，系统只能降功率运行，无法发挥器件本身的硬件极限。长期降额工作不仅压缩输出功率，还会加速芯片老化，在复杂严苛的任务场景下，大大提升电路失效风险。

即便是现在行业主流的氮化镓器件，也逃不开温度的束缚。Northrop Grumman微电子部门总监Ben Heying表示，温度一直是微电子性能的天花板，哪怕是当下主流的氮化镓芯片，也逃不过热的限制。传统铜、碳化硅等散热材料已经跟不上射频芯片功率密度飞速上涨的需求，行业急需更高导热能力的解决方案。而金刚石，便成为了这次破局的关键材料。

在物理特性上，金刚石的热导率是铜的5倍，性能大幅领先碳化硅、氮化镓等现有高性能半导体材料，能够快速把芯片内部产生的热量疏导出去，让芯片可以长时间满负载工作，不再被高温掣肘。但这并不是简单给芯片贴一层金刚石散热片，整套技术的难点在于金刚石的片上集成工艺。

Northrop Grumman的技术路径是，在芯片制造过程中直接将人造钻石嵌入芯片内部。具体来说，该公司联合斯坦福大学共同展开研究，在芯片背面的微型通道内部直接“生长”了一层金刚石薄层，将微观金刚石结构植入半导体器件内部。芯片工作产生的热量可以通过这些填满金刚石的微通道直接导出，缩短热传导路径，从芯片内部源头带走热量。这相当于给芯片装上一套涡轮增压冷却系统，芯片可以拉高功率输出，不必担心过热烧毁。

此前在THREADS项目第一阶段，这套金刚石嵌入式散热方案便已交出亮眼成绩单：芯片功率直接提升3.3倍，高功率测试已经取得成功。如今进入项目第二阶段，700万美元的研发经费将用于进一步迭代工艺，目标再度实现功率密度3倍提升，在缩小器件体积的同时，挖掘射频半导体的性能潜力，打造功率更强的射频发射单元，支撑军用通信、下一代卫星链路等关键装备的升级迭代。

Northrop Grumman微电子中心承担了THREADS项目的核心研发工作，该团队在这里完成了金刚石与半导体芯片的集成制备。企业自2019年就布局金刚石半导体散热方向，持续投入研发，充分挖掘金刚石耐高温、超高导热的材料优势，冲刺新一代高功率关键任务半导体产品。同时企业采用开放合作模式，对外向其他航空航天、防务企业开放微电子中心资源，推动这项技术落地推广。

放眼整个半导体产业，宽禁带半导体的性能迭代早已不只是晶体管本身的迭代，热管理已经成为不可忽视的核心赛道。氮化镓、碳化硅器件不断走高功率密度，传统封装、散热手段越来越难匹配器件的发热水平。器件级、晶圆级的新型导热材料集成，正在成为产业的重要攻关方向。

金刚石散热芯片的研发，也证明了材料创新可以直接改写半导体器件的性能上限。过去行业更多关注晶体管制程、材料本身，而THREADS项目告诉我们，只有把热量问题解决，芯片才能真正释放设计的全部实力。

当然，目前这项技术主要面向国防军工射频场景，由于工艺复杂、成本高昂，距离大规模商用还有很长距离。但随着工艺持续打磨，金刚石集成散热技术未来也有望向毫米波通信、大功率射频等民用领域延伸，为下一代半导体的发展打开全新想象空间。