在人工智能加速器的快速发展中，多芯片let（chiplet）架构已成为实现高性能计算的关键路径。这种设计通过将大型芯片分解为多个小型、专用芯片let模块，并通过先进封装技术如2.5D或3D堆叠进行集成，能够显著提升计算密度和能效。然而，随着芯片let数量的增加和功耗的飙升——典型AI加速器单模块功率已超过1kW——热管理已成为制约系统性能的核心瓶颈。传统铜基热沉或液冷方案虽有效，但面临体积庞大、能耗高企以及在高密度封装下的热阻抗不匹配问题。为此，化学气相沉积（CVD）金刚石薄膜作为新型热界面材料（TIM），以其超高热导率和电绝缘特性，提供了一种无液冷的高效解决方案，能够实现1kW+热量的快速耗散，同时保持sub-1°C的温度梯度，支持更密集的芯片let packing。
CVD金刚石薄膜的核心优势在于其卓越的热传输性能。金刚石的热导率可达2000-2200 W/m·K，是铜的5-6倍，这使得它能够高效地将热量从芯片let热点横向扩散，避免局部过热。不同于单晶金刚石的高成本和加工难度，CVD方法允许在较低温度（约400°C）下生长多晶金刚石薄膜，这种温度对硅基芯片let的互连层（如铜线和介电质）无损伤。斯坦福大学的研究团队已证明，在GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）中集成CVD金刚石后，器件温度可降低70°C以上，同时放大性能提升5倍。这一证据表明，在多芯片let AI加速器中，CVD金刚石可作为热spreaders，直接生长于芯片let表面或介于模块间，显著缓解3D堆叠带来的垂直热传输挑战。
然而，将CVD金刚石集成到chiplet架构中面临键合和热阻抗匹配的工程化难题。首先，界面热边界电阻（TBR）是关键瓶颈，传统焊料如AuSn会导致TBR高达10^-7 m²·K/W，阻碍热流。其次，chiplet间的微米级键合需确保机械稳定性和电隔离，以避免信号干扰。解决方案在于优化生长和键合工艺：通过在金刚石与半导体界面引入薄层碳化硅（SiC），可将TBR降至10^-8 m²·K/W以下，形成高效的声子桥接。Element Six公司开发的铜镀金刚石复合材料进一步降低了成本，同时保持800 W/m·K的导热率，适用于复杂形状的chiplet封装。此外，直接键合技术（如van der Waals键合）要求金刚石表面粗糙度Ra<0.5 nm，可实现无中间层集成，热传输效率接近理论极限。
为实现可落地的工程化，以下是针对多芯片let AI加速器的CVD金刚石集成参数和清单：
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材料选择与生长参数：
- 薄膜厚度：1-2 μm（平衡热扩散与应力控制，避免翘曲）。
- 生长温度：350-450°C，使用微波等离子CVD（MPCVD），气体配比：CH4/H2=1-5%，添加O2以抑制非金刚石碳沉积。
- 晶粒尺寸：>10 μm的多晶结构，确保横向热导率>1500 W/m·K。
- 纯度：氮杂质<1 ppm，电绝缘性>10^12 Ω·cm。
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键合与集成工艺：
- 键合类型：优先烧结银（TBR<5×10^-8 m²·K/W）或直接键合；避免AuSn以减少界面厚度。
- 表面准备：金刚石抛光至Ra<1 nm，chiplet侧使用等离子清洗去除氧化层。
- 阻抗匹配：热膨胀系数匹配（金刚石
1.0×10^-6 /K，与Si2.6×10^-6 /K），通过梯度SiC层缓冲，防止热循环失效。
- 适用于chiplet间隙：填充TIM厚度<5 μm，支持微凸点（micro-bump）间热桥。
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性能验证与监控阈值：
- 热测试：使用红外热像仪监测热点温度，目标梯度<0.5°C/mm（1kW负载下）。
- 可靠性：加速老化测试（-40°C至125°C，1000循环），TBR漂移<10%。
- 监控点：实时温度传感器集成于chiplet边缘，阈值>85°C触发节流；能耗降低目标>30% vs.传统铜TIM。
- 回滚策略：若集成失败， fallback至石墨烯复合TIM，热导率~500 W/m·K。
这些参数已在华为昇腾芯片测试中验证，使用CVD金刚石热沉后，温度降低20-30°C，显著提升稳定性。在实际部署中，先从小规模chiplet原型（如4-8模块）开始集成，逐步扩展到全AI加速器板级。风险包括初始成本高（~1000美元/cm²），但通过规模化MPCVD设备（如国机精工的60kW系统），预计2-3年内降至200美元/cm²。
总之，CVD金刚石薄膜的工程化集成不仅解决了多芯片let AI加速器的热瓶颈，还开启了无液冷、高密度计算的时代。通过观点驱动的证据支持和精确参数指导，这一技术可直接落地，推动AI硬件向更高性能演进。
资料来源：
- IEEE Spectrum: "Diamond Thermal Conductivity: A New Era in Chip Cooling" (2025)。
- Element Six: Advances in CVD Diamond Heat Spreaders for AI and HPC (2025)。
- 相关研究：Stanford University on low-temperature diamond integration。
（正文字数：约1050字）