APL | 哈尔滨工业大学(深圳)孙华锐团队:Au/Au键合硅-金刚石异质结构深埋层热阻的测量

金属中间层键合技术凭借高导热性和热机械兼容性，成为芯片与高导热散热基板集成的重要方式，其中Au/Au键合因在表面粗糙度耐受性、热适配性等方面的优势，被广泛应用于异质集成。但Au/Au键合引入的多层界面会产生额外的界面热阻，这些热阻会严重阻碍金刚石等高导热基板的散热效率。尤其是深埋的Au/Au键合界面热阻，其精准测量成为优化键合工艺、提升芯片热管理性能的关键问题，然而传统的热物性测量方法却难以应对这一挑战。激光泵浦-探测技术受限于热穿透深度，无法直接测量厚块体异质键合结构中深埋界面的热阻；激光闪光法（LFM）依赖一维热扩散模型，更适用于单一块体材料，无法测量多层异质结构。如何精准提取基于Au/Au键合技术的厚块体异质结构深埋层的热阻，成为异质集成及芯片热管理领域亟待解决的技术难题。

图1 （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

为解决传统方法的局限性，团队研发了基于激光瞬态热反射（TTR）和激光闪光法（LFM）的双步混合测量方法，实现了多层结构深埋键合界面热阻的提取，相比传统方法具有显著优势：

1. 巧用固有Au层，省去金属换能层制备步骤。将Au/Au键合的固有Au中间层直接作为TTR测量的金属换能层，无需在样品表面额外沉积金属换能层，简化了实验流程，同时避免了额外制备步骤对样品结构和热性能的干扰。

2. 分步表征，精准获取基础热物性参数。在键合前，利用TTR技术系统表征Au键合层与Si和金刚石散热基板的本征热物性，包括Si、金刚石的热导率，以及Au与Si、Au与金刚石的界面热阻，为后续深埋界面热阻提取提供精准的输入参数。

3. 突破传统LFM模型的局限，采用三维有限元模型（FEM）模拟激光加热过程中的样品温度响应，将TTR测得的基础热参数作为模型输入，仅将深埋Au/Au界面热阻作为唯一未知变量，通过迭代拟合实验数据，实现该热阻的提取。

Extracting deeply buried thermal resistance in Au/Au-bonded thick Si-on-diamond

Yang He, Yinfei Xie, Jiwen Zhao, Kechen Zhao, Xiaowu Gao, Huiyu Xu, Weiye Liu, Bing Dai, Yan Zhou, Lifa Zhang, Jiaqi Zhu, Huaixin Guo, Huarui Sun

Appl. Phys. Lett.128, 081906 (2026)

https://doi.org/10.1063/5.0314427

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