哈工大團(tuán)隊(duì)：硅-金剛石異質(zhì)結(jié)構(gòu)熱阻測(cè)量新進(jìn)展

隨著AI算力、高功率射頻器件及先進(jìn)封裝的發(fā)展，芯片功率密度持續(xù)攀升，散熱已成為制約器件性能和可靠性的關(guān)鍵瓶頸。金剛石因具有極高的熱導(dǎo)率，被認(rèn)為是下一代高性能散熱基板的重要材料，而如何實(shí)現(xiàn)芯片與金剛石基板之間的低熱阻集成，則成為熱管理領(lǐng)域的重要研究方向。

近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）孫華銳教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南京師范大學(xué)等單位，在A(yíng)u/Au鍵合硅-金剛石異質(zhì)結(jié)構(gòu)熱阻測(cè)量方面取得新進(jìn)展。相關(guān)成果以“Extracting deeply buried thermal resistance in Au/Au-bonded thick Si-on-diamond”為題發(fā)表于《Applied Physics Letters》。

Au/Au金屬直接鍵合憑借優(yōu)異的導(dǎo)熱特性、良好的熱機(jī)械適配性以及寬松的表面粗糙度適配要求，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于異質(zhì)材料集成、先進(jìn)微電子封裝及高功率器件散熱等核心領(lǐng)域。但在鍵合成型過(guò)程中，多層復(fù)合界面的形成會(huì)不可避免地產(chǎn)生界面熱阻，其中深藏于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的Au/Au深埋界面熱阻，是制約金剛石高導(dǎo)熱基板散熱效能的關(guān)鍵瓶頸，大幅削弱了器件整體的熱管理能力。因此，精準(zhǔn)表征深埋Au/Au界面的熱阻特性，對(duì)優(yōu)化鍵合工藝參數(shù)、提升高端電子器件熱管理水平具有重要的工程價(jià)值與研究意義。

現(xiàn)階段主流熱物性測(cè)試技術(shù)難以適配厚塊體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的深埋界面熱阻測(cè)試需求，存在顯著的技術(shù)局限性。其中，激光瞬態(tài)熱反射技術(shù)（TTR）受限于熱穿透深度，無(wú)法直接檢測(cè)厚塊體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部界面熱阻；激光閃光法（LFM）依托一維熱擴(kuò)散理論建模，僅適用于均質(zhì)塊體材料，對(duì)多層復(fù)合、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的異質(zhì)體系熱阻解析精度不足。綜上，針對(duì)厚塊體Si/金剛石異質(zhì)結(jié)構(gòu)，建立一套高精度的深埋界面熱阻測(cè)試方法，一直是熱管理領(lǐng)域亟待攻克的技術(shù)難題。

針對(duì)上述技術(shù)痛點(diǎn)，本研究采用低溫?zé)釅烘I合工藝，以Au/Au雙層金屬為中間過(guò)渡層，成功制備出Si/Au/Au/金剛石厚塊體異質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)，并創(chuàng)新提出一種適配深埋Au/Au界面的高精度熱阻提取與表征方法。

該方法創(chuàng)新性融合激光瞬態(tài)熱反射（TTR）與激光閃光法（LFM）兩大主流熱物性測(cè)試技術(shù)，構(gòu)建了全新的深埋界面熱阻表征體系。研究充分利用Au/Au鍵合工藝自帶的金中間層，將其直接作為T(mén)TR測(cè)試的換熱功能層，無(wú)需對(duì)測(cè)試樣品進(jìn)行額外的金屬薄膜沉積處理。該創(chuàng)新設(shè)計(jì)不僅簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)操作流程、降低了測(cè)試成本，更徹底規(guī)避了額外鍍膜對(duì)樣品本征熱物性的干擾，從實(shí)驗(yàn)源頭保障了測(cè)試數(shù)據(jù)的真實(shí)性、可靠性與精準(zhǔn)性。

在測(cè)試體系設(shè)計(jì)上，本研究采用“分步測(cè)試、逐層建模、精準(zhǔn)擬合”的分析思路，實(shí)現(xiàn)熱阻參數(shù)的高精度解算。在鍵合工藝實(shí)施前，通過(guò)TTR技術(shù)精準(zhǔn)標(biāo)定硅、金剛石基材的本征熱導(dǎo)率，以及Au/Si、Au/金剛石等表層界面的熱阻參數(shù)，搭建完備、精準(zhǔn)的基礎(chǔ)熱參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，為后續(xù)仿真建模與數(shù)據(jù)解析提供核心支撐。在樣品鍵合制備完成后，利用LFM技術(shù)采集復(fù)合結(jié)構(gòu)整體的動(dòng)態(tài)溫升響應(yīng)數(shù)據(jù)，結(jié)合三維有限元仿真（FEM）與熱阻串聯(lián)理論模型開(kāi)展數(shù)據(jù)分析。研究將前期標(biāo)定的基材、表層界面熱參數(shù)設(shè)為固定輸入變量，僅將深埋Au/Au界面熱阻作為唯一未知參數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)迭代擬合，精準(zhǔn)解算出深埋界面熱阻數(shù)值，并有效獲取其隨溫度變化的響應(yīng)規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本研究提出的測(cè)試方法有效突破了傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法適配厚塊體多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)的測(cè)試瓶頸，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部深埋界面熱阻的高精度表征。基于該方法，本研究系統(tǒng)量化了不同溫度工況下Au/Au深埋界面的熱阻演變規(guī)律，精準(zhǔn)拆解了各結(jié)構(gòu)層熱阻對(duì)整體封裝熱阻的貢獻(xiàn)占比，為Au/Au鍵合工藝的參數(shù)優(yōu)化、技術(shù)迭代與性能升級(jí)提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐與理論依據(jù)。

該表征方法具備良好的通用性與拓展性，并非局限于Si/金剛石Au/Au鍵合體系，可廣泛推廣至各類(lèi)高導(dǎo)熱異質(zhì)集成材料的界面熱阻測(cè)試，為行業(yè)界面熱阻的精準(zhǔn)表征提供了全新的技術(shù)方案。隨著金剛石高導(dǎo)熱基板在高功率電子器件、先進(jìn)芯片封裝、AI算力芯片等高端領(lǐng)域的規(guī)模化普及，本研究成果可有效助力封裝結(jié)構(gòu)熱阻優(yōu)化、器件散熱效率提升與服役可靠性增強(qiáng)，能夠充分釋放金剛石超高導(dǎo)熱材料的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，為下一代高性能電子設(shè)備的熱管理技術(shù)升級(jí)提供重要的技術(shù)支撐。