突破金剛石集成痛點！超薄低溫鍵合打通高功率芯片散熱新路徑

近日，廈門大學團隊提出了一種基于超薄Au-In瞬態(tài)液相（TLP）鍵合的多晶金剛石—硅集成技術(shù)，實現(xiàn)了低溫條件下的高強度、低熱阻異質(zhì)集成。相關(guān)成果以“Achieving robust and low thermal resistance polycrystalline diamond-Si integration by ultra-thin film Au-In bonding”為題，發(fā)表在《Diamond and Related Materials》。

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面向先進散熱需求的金剛石集成挑戰(zhàn)

金剛石在熱傳導層面具備得天獨厚的性能優(yōu)勢。對比銅、碳化硅等常規(guī)散熱基材，金剛石熱導率高出數(shù)倍乃至一個數(shù)量級，在 AI 芯片、高速 SerDes 組件、功率器件的近結(jié)點散熱場景中具備極高應用價值。

但多晶金剛石規(guī)模化落地存在顯著瓶頸：材料原生表面遍布晶界、微凹坑與溝槽等微觀缺陷，即便完成精密拋光，也很難實現(xiàn)原子級光滑表面。當前主流低溫鍵合技術(shù)如表面活化鍵合（SAB），對基底表面粗糙度閾值要求控制在 0.5 nm 以內(nèi)，達標需配套高成本、復雜化精密加工工序。

從現(xiàn)有集成工藝路線來看，外延生長方案可有效壓低界面熱阻，但其加工溫度普遍突破 700℃，與半導體后道（BEOL）制造流程不兼容；銀燒結(jié)、焊料鍵合雖可實現(xiàn)低溫加工，卻會生成較厚中間過渡層并伴隨孔隙缺陷，直接推高界面熱阻，削弱散熱性能。

針對這些問題，研究團隊提出利用超薄Au-In瞬態(tài)液相鍵合技術(shù)，通過液態(tài)銦在鍵合過程中的毛細填充作用，提高工藝對表面粗糙度的容忍度，從而實現(xiàn)兼顧熱性能和可靠性的集成方案。

鍵合工藝流程

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超薄金銦低溫鍵合工藝：達成金剛石與硅基器件高品質(zhì)低溫集成

該研究提出一套 Ti/Au、Ti/In 復合金屬薄膜鍵合體系，搭配氬等離子體表面活化預處理，可在 200℃及以下低溫完成金剛石與硅基襯底鍵合。

技術(shù)核心機制依托銦的低熔點特性：溫度升至 156℃時銦熔化為液相，在外加壓力作用下充分填覆多晶金剛石表面晶界、微坑等微觀凹缺陷，同時與金發(fā)生瞬態(tài)液相冶金反應；持續(xù)原子互擴散后，界面生成以 AuIn?金屬間化合物為主體的致密互連層。

微觀檢測證實，鍵合界面無明顯空洞，金、銦元素擴散充分，形成完整連續(xù)的 AuIn?反應相。液態(tài)銦的缺陷填充效果與超薄金屬層結(jié)構(gòu)設(shè)計，是構(gòu)筑無缺陷優(yōu)質(zhì)界面的兩大核心條件。

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兼顧低熱阻與優(yōu)異機械可靠性

力學測試數(shù)據(jù)顯示，該鍵合結(jié)構(gòu)平均剪切強度 21.45 MPa，峰值可達 24.7 MPa，遠超 MIL-STD-883G 軍工封裝強度規(guī)范標準，機械可靠性充足。采用時域熱反射（TDTR）表征界面導熱性能，金剛石 - 硅復合界面總熱阻低至 0.211 mm2?K/W，相較銀燒結(jié)、錫銀焊料、金錫焊料等傳統(tǒng)低溫鍵合方案，熱傳導性能優(yōu)勢突出。優(yōu)異熱阻表現(xiàn)來源于雙重優(yōu)勢：其一，AuIn?金屬間化合物自身導熱性能優(yōu)良；其二，整套互連層厚度控制在亞微米級別，對比傳統(tǒng)焊料數(shù)十微米厚的中間層，大幅縮短熱傳導路徑，削減界面附加熱阻。

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面向高功率芯片散熱的產(chǎn)業(yè)化可行新技術(shù)

團隊搭建高功率 MOSFET 熱仿真模型驗證工程價值：在 5 W/mm2 功率密度工況下，搭載該金剛石散熱襯底后，器件峰值結(jié)溫由 100℃降至 63℃，降溫幅度 37℃，散熱改善效果顯著。

該 Au-In 低溫鍵合工藝適配現(xiàn)有半導體生產(chǎn)線，同時平衡量產(chǎn)適配性、結(jié)構(gòu)強度與散熱性能，為 AI 芯片、高性能計算、大功率電力電子器件的金剛石散熱集成提供全新工程化方案。

研究并未一味追求實驗室極限低熱阻指標，而是統(tǒng)籌工藝溫度、生產(chǎn)成本、界面耐久度與導熱表現(xiàn)四大維度，完成綜合性能最優(yōu)解，為多晶金剛石落地先進封裝、芯片熱管理產(chǎn)業(yè)化打通全新技術(shù)路徑。