哈工大团队：硅-金刚石异质结构热阻测量新进展

发布时间：

2026-07-20

 随着AI算力、高功率射频器件及先进封装的发展，芯片功率密度持续攀升，散热已成为制约器件性能和可靠性的关键瓶颈。金刚石因具有极高的热导率，被认为是下一代高性能散热基板的重要材料，而如何实现芯片与金刚石基板之间的低热阻集成，则成为热管理领域的重要研究方向。

       近日，哈尔滨工业大学（深圳）孙华锐教授团队联合哈尔滨工业大学、南京师范大学等单位，在Au/Au键合硅-金刚石异质结构热阻测量方面取得新进展。相关成果以“Extracting deeply buried thermal resistance in Au/Au-bonded thick Si-on-diamond”为题发表于《Applied Physics Letters》。

 图 （a）Au/Au键合工艺与异质结构热物性测量示意图；（b）异质结构Au/Au界面热阻随温度变化关系；（c）Si/Au/Au/金刚石异质结构各层组分与总热阻占比随温度变化关系

       Au/Au金属直接键合因具有较高的导热性能、良好的热机械兼容性以及对表面粗糙度要求相对较低等优势，已广泛应用于异质集成、先进封装以及高功率器件散热。然而，在Au/Au键合过程中形成的多层界面不可避免地引入界面热阻，尤其是位于结构内部的深埋Au/Au界面热阻，会显著削弱金刚石高导热基板的散热能力，因此准确测量其热阻对于优化键合工艺和提升器件热管理性能具有重要意义。

       不过，传统热物性测试方法对此存在明显局限。激光瞬态热反射（TTR）受热穿透深度限制，难以直接测量厚块体异质结构内部的界面热阻；激光闪光法（LFM）则主要基于一维热扩散模型，更适用于均匀块体材料，对于复杂多层异质结构的热阻分析能力有限。因此，建立一种适用于厚块体Si/金刚石异质结构深埋界面热阻的测量方法，一直是该领域的重要技术难题。

       针对这一问题，研究团队首先采用Au/Au中间层，通过低温热压键合成功制备了厚硅片与金刚石散热基板组成的Si/Au/Au/金刚石异质结构，并提出了一种面向深埋Au/Au界面热阻的全新提取方法。

       该方法创新性地结合了激光瞬态热反射技术（TTR）与激光闪光法（LFM）两种测试手段。研究人员充分利用Au/Au键合过程中原有的Au中间层，将其直接作为TTR测试所需的金属换能层，无需额外沉积金属薄膜，不仅简化了实验流程，也避免了新增换能层对样品热性能造成影响。

       随后，团队在键合前利用TTR分别测量硅、金刚石以及相关界面的基础热物性参数，包括材料热导率以及Au/Si、Au/金刚石界面热阻等，为后续分析建立准确模型。完成键合后，再通过LFM获得整体样品的温升响应曲线，并结合三维有限元仿真（FEM）及热阻串联模型，将已知热参数作为输入，仅把深埋Au/Au界面热阻设为未知量，通过迭代拟合实验结果，实现了深埋界面热阻及其温度依赖性的精准提取。

       研究结果表明，该方法突破了传统测试技术在厚块体异质结构中的应用限制，可实现多层结构内部界面热阻的高精度测量，并系统分析了不同温度下Au/Au界面热阻及各层热阻对整体热阻的贡献比例，为Au/Au键合工艺优化提供了可靠的数据支撑。

       研究团队表示，该方法不仅适用于Au/Au键合硅-金刚石异质结构，也为其他高导热异质集成材料体系的热阻表征提供了新的技术思路。未来，随着金刚石散热基板在高功率电子器件、先进封装及AI芯片等领域的应用不断拓展，该研究有望为降低封装热阻、提升器件散热效率和可靠性提供重要技术支撑，进一步释放金刚石超高导热材料在下一代电子器件热管理中的应用潜力。

 

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