厦门大学提出超薄键合技术，实现多晶金刚石与硅低热阻集成

随着人工智能、高性能计算（HPC）以及高功率电子器件持续向更高功率密度发展，散热问题正逐渐成为限制芯片性能提升的重要瓶颈。在众多先进热管理材料中，多晶金刚石凭借高达2000 W/m·K以上的热导率，被认为是最具潜力的芯片均热材料之一。

然而，如何将金刚石高质量集成到硅基器件中，同时兼顾低界面热阻、高机械强度以及低温工艺兼容性，始终是产业界和学术界关注的关键问题。

近日，厦门大学团队提出了一种基于超薄Au-In瞬态液相（TLP）键合的多晶金刚石—硅集成技术，实现了低温条件下的高强度、低热阻异质集成。相关成果以“Achieving robust and low thermal resistance polycrystalline diamond-Si integration by ultra-thin film Au-In bonding”为题，发表在《Diamond and Related Materials》。

面向先进散热需求的金刚石集成挑战

金刚石作为热扩散材料具有显著优势。相比铜、碳化硅等传统散热材料，其热导率高出数倍甚至一个数量级，因此被广泛看好用于AI芯片、高速SerDes模块以及功率器件的近结区散热。

然而，金刚石特别是多晶金刚石在实际应用中面临一个突出难题：其表面往往存在晶界、微坑和沟槽等缺陷，即使经过抛光处理，也难以达到原子级平整度。现有的表面活化键合（SAB）等低温工艺通常要求表面粗糙度低于0.5 nm，而实现这一要求意味着更高的加工成本和更复杂的制造流程。

另一方面，传统外延生长方法虽然能够获得较低界面热阻，但工艺温度通常超过700℃，难以兼容半导体后道（BEOL）工艺；银烧结和焊料键合虽然温度较低，却容易引入较厚中间层和孔隙，从而增加界面热阻。

针对这些问题，研究团队提出利用超薄Au-In瞬态液相键合技术，通过液态铟在键合过程中的毛细填充作用，提高工艺对表面粗糙度的容忍度，从而实现兼顾热性能和可靠性的集成方案。

超薄Au-In键合实现低温高质量集成

研究中，团队设计了Ti/Au和Ti/In多层金属结构，并结合氩等离子体表面预处理，在不高于200℃的条件下完成键合。

其核心思路是利用铟在156℃熔化后形成液相，在压力作用下填充多晶金刚石表面的微观凹陷区域，同时与金形成瞬态液相反应。随着扩散和反应持续进行，最终形成以AuIn₂金属间化合物为主的均匀连接层。

显微结构表征结果显示，键合界面基本无空洞缺陷，Au和In发生充分互扩散，形成连续稳定的AuIn₂相。研究人员认为，液态铟的填充作用以及超薄金属层设计，是实现高质量界面的关键因素。

实现低热阻与高可靠性的平衡

性能测试结果表明，该工艺获得了平均21.45 MPa的剪切强度，最高达到24.7 MPa，明显高于MIL-STD-883G标准对封装连接强度的要求。

在热性能方面，通过时域热反射（TDTR）测试，研究团队测得金刚石—硅界面的总热阻仅为0.211 mm²·K/W。与银烧结、SnAg焊料以及AuSn焊料等传统低温集成方案相比，该结果表现出明显优势。

研究认为，一方面AuIn₂本身具有较好的热传导能力；另一方面，键合层厚度被控制在亚微米尺度，远低于传统焊料数十微米的厚度，从而有效降低了热传导路径中的额外热阻。

为高功率芯片散热提供新路径

为了评估实际应用价值，研究团队进一步建立了高功率MOSFET器件热仿真模型。结果显示，在5 W/mm²功率密度条件下，采用金刚石散热基底后，器件最高结温可由100℃降低至63℃，降幅达到37℃。

论文指出，这种低温Au-In键合技术不仅能够兼容现有半导体制造流程，还兼顾了规模化制造能力、机械可靠性和热管理性能，为未来AI芯片、HPC系统以及高功率电子器件中的金刚石散热集成提供了一条具有工程可行性的技术路线。

总体来看，该工作并未追求实验室条件下极限最低的界面热阻，而是在工艺温度、制造成本、界面可靠性和热性能之间实现了较好的平衡，为多晶金刚石在先进封装和芯片热管理领域的产业化应用提供了新的解决方案。