隨著AI算力、高功率射頻器件及先進封裝的發展，芯片功率密度持續攀升，散熱已成為制約器件性能和可靠性的關鍵瓶頸。金剛石因具有極高的熱導率，被認為是下一代高性能散熱基板的重要材料，而如何實現芯片與金剛石基板之間的低熱阻集成，則成為熱管理領域的重要研究方向。
近日，哈爾濱工業大學（深圳）孫華銳教授團隊聯合哈爾濱工業大學、南京師范大學等單位，在Au/Au鍵合硅-金剛石異質結構熱阻測量方面取得新進展。相關成果以“Extracting deeply buried thermal resistance in Au/Au-bonded thick Si-on-diamond”為題發表于《Applied Physics Letters》。
圖 （a）Au/Au鍵合工藝與異質結構熱物性測量示意圖；（b）異質結構Au/Au界面熱阻隨溫度變化關系；（c）Si/Au/Au/金剛石異質結構各層組分與總熱阻占比隨溫度變化關系
Au/Au金屬直接鍵合因具有較高的導熱性能、良好的熱機械兼容性以及對表面粗糙度要求相對較低等優勢，已廣泛應用于異質集成、先進封裝以及高功率器件散熱。然而，在Au/Au鍵合過程中形成的多層界面不可避免地引入界面熱阻，尤其是位于結構內部的深埋Au/Au界面熱阻，會顯著削弱金剛石高導熱基板的散熱能力，因此準確測量其熱阻對于優化鍵合工藝和提升器件熱管理性能具有重要意義。
不過，傳統熱物性測試方法對此存在明顯局限。激光瞬態熱反射（TTR）受熱穿透深度限制，難以直接測量厚塊體異質結構內部的界面熱阻；激光閃光法（LFM）則主要基于一維熱擴散模型，更適用于均勻塊體材料，對于復雜多層異質結構的熱阻分析能力有限。因此，建立一種適用于厚塊體Si/金剛石異質結構深埋界面熱阻的測量方法，一直是該領域的重要技術難題。
針對這一問題，研究團隊首先采用Au/Au中間層，通過低溫熱壓鍵合成功制備了厚硅片與金剛石散熱基板組成的Si/Au/Au/金剛石異質結構，并提出了一種面向深埋Au/Au界面熱阻的全新提取方法。
該方法創新性地結合了激光瞬態熱反射技術（TTR）與激光閃光法（LFM）兩種測試手段。研究人員充分利用Au/Au鍵合過程中原有的Au中間層，將其直接作為TTR測試所需的金屬換能層，無需額外沉積金屬薄膜，不僅簡化了實驗流程，也避免了新增換能層對樣品熱性能造成影響。
隨后，團隊在鍵合前利用TTR分別測量硅、金剛石以及相關界面的基礎熱物性參數，包括材料熱導率以及Au/Si、Au/金剛石界面熱阻等，為后續分析建立準確模型。完成鍵合后，再通過LFM獲得整體樣品的溫升響應曲線，并結合三維有限元仿真（FEM）及熱阻串聯模型，將已知熱參數作為輸入，僅把深埋Au/Au界面熱阻設為未知量，通過迭代擬合實驗結果，實現了深埋界面熱阻及其溫度依賴性的精準提取。
研究結果表明，該方法突破了傳統測試技術在厚塊體異質結構中的應用限制，可實現多層結構內部界面熱阻的高精度測量，并系統分析了不同溫度下Au/Au界面熱阻及各層熱阻對整體熱阻的貢獻比例，為Au/Au鍵合工藝優化提供了可靠的數據支撐。
研究團隊表示，該方法不僅適用于Au/Au鍵合硅-金剛石異質結構，也為其他高導熱異質集成材料體系的熱阻表征提供了新的技術思路。未來，隨著金剛石散熱基板在高功率電子器件、先進封裝及AI芯片等領域的應用不斷拓展，該研究有望為降低封裝熱阻、提升器件散熱效率和可靠性提供重要技術支撐，進一步釋放金剛石超高導熱材料在下一代電子器件熱管理中的應用潛力。
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