随着电子器件性能的提高，热管理技术变得尤为重要。当前，芯片封装中的粘接技术由于界面热导率（TBC）较低，导致设备运行时温度过高。本研究探索了一种新的铜到铜（Cu-Cu）直接键合技术，通过在铜表面涂覆钛（Ti）/金（Au）纳米层，并采用氩气等离子体轰击工艺，有效地提升了热边界导热性（TBC），同时实现了较低的键合温度。实验结果表明，使用此技术在150°C低温下实现了高达41.49 MW/m²·K的Si-Si界面TBC值，比常规焊接和银烧结技术高出1到2个数量级。研究进一步揭示了铜原子通过钛颗粒界面扩散至金层形成无孔的铜金间层，进而改善了热导率和键合质量。
TDTR方法的应用
本研究中使用了Aunist（昊远精测）生产的Pioneer-01飞秒激光时域热反射（TDTR）测量系统，评估了Cu-Cu键合界面的热导率。TDTR技术通过超快激光脉冲加热样品表面，实时探测热扩散过程，从而精确测定界面热阻。实验结果显示，采用Ti/Au纳米层涂覆的Cu-Cu界面热导率显著提高，Cu-Cu键合样品的TBC值分别为41.49 MW/m²·K和34.13 MW/m²·K（分别对应Si-Si和Si-Al2O3界面），较传统焊接和银烧结方法的TBC值高出一个数量级。
文章亮点
创新的低温Cu-Cu键合技术：通过钛/金纳米层涂覆与氩气等离子体轰击相结合，成功降低了铜到铜直接键合的温度要求，并显著提高了界面热导率（TBC）。
铜原子的扩散机制研究：通过TEM和EDS分析，研究揭示了铜原子通过钛层扩散至金层，并与金层发生冶金反应，形成了铜金间层，从而提高了键合界面的热导性和机械强度。
高效的热导性提升：通过TDTR方法精确测量Cu-Cu界面的热导率，验证了钛/金涂层在铜键合中的重要作用，获得的TBC值远超传统的焊接和银烧结技术。
强度测试与工业应用前景：实验中，采用Ti/Au涂层和氩气等离子体处理的铜键合样品展现了优异的剪切强度，达到了22.3 ± 2.9 MPa，远超行业标准。该技术对于电子封装、半导体器件的热管理具有重要应用前景。
结语
Xiaofan Jiang团队的研究成果为铜到铜直接键合提供了一种创新的低温高效技术。Aunist（昊远精测）提供的Pioneer-01 TDTR系统在界面热导率测试中的精准应用，使得该研究能够深入揭示界面热学特性，并为未来电子封装中的热管理技术提供了重要参考。随着电子器件对高效散热的需求日益增加，低温、高强度的铜键合技术将在半导体封装、热管理等领域得到广泛应用。
