来源 | International Journal of Heat and Mass Transfer

链接 | https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.127836

01

背景介绍

随着人工智能技术发展，集成电路特征尺寸不断微型化、集成密度持续提升，导致器件级热流密度大幅增加，目前电子芯片热流密度已达约 1000 W/cm²，局部热点甚至超过数千 W/cm²。若热量无法有效散出，会导致器件温度升高、性能下降、稳定性与可靠性受损，极端情况下引发失效或热烧毁。微通道散热器因高热效率、结构紧凑、易系统集成成为热门技术，但需解决几何构型导致的压降升高、高温下表面特性难维持等问题。金刚石凭借极高热导率（1000-2200 W/(m・K)）、高熔点、电绝缘性，AlN 衬底凭借导热性与热膨胀系数优势，Pt 薄膜凭借 “加热 - 测温” 双功能，成为优化微通道冷却系统的关键材料，旨在开发基于 CVD-DMCs 的异质材料集成冷却方案，解决高热流热管理难题。

02

成果掠影

近日，南京理工大学胡定华联合中国工程物理研究院微系统与太赫兹研究中心Quanfeng Zhou团队，提出了一种基于化学气相沉积金刚石微通道的异质材料集成冷却方案（CVD-DMCs），并通过模拟和实验相结合的方法系统地研究了其在超高热流条件下的传热性能。对矩形、圆形和菱形等不同肋结构进行了对比模拟分析，确定菱形肋为最佳肋结构，肋深（D）和肋宽（W）为关键几何参数，并制作了一种大面积双多点小面积Pt膜非均匀多热源测试芯片，通过AuSn共晶键合，到安装在AlN衬底上的飞秒激光加工的CVD-DMC结构上，形成完整的测试模型。在144 mL/min流速，1100 W/cm²热通量的极端条件下的实验结果（双大面积）和11000 W/cm²（多点小区域）证明了D为0.5 mm的菱形肋结构，在本研究所研究的结构中，0.15 mm的W获得了最佳的冷却性能。将模具温度降低到108 ℃，压力降（ΔP）进一步的分析表明，优化肋宽比肋深更能有效地强化换热，同时减小流动阻力。验证了多点小面积集成芯片级局部加热和温度测量的可行性和准确性，揭示了CVD-DMC肋结构对热性能的关键影响，提出了一种适用于高热流密度电子器件的高效集成冷却设计方案。研究成果“Experimental and numerical study of CVD diamond microchannel cooling for high heat flux heterogeneous material-integrated dies”为题发表在《International Journal of Heat and Mass Transfer》

03

图文导读

图1.具有CVD-DMC的异质材料集成模具（a）模型的分解图（b）具有加热器尺寸的热测试模具（c）直肋微通道（d）圆肋微通道（e）菱形肋微通道。

图2.使用飞秒激光微加工在CVD-DMC上制造和表征菱形肋。（a）飞秒激光微加工系统的示意图（b）实际激光加工装置的照片（c）制造的金刚石样品的物理图像（d）菱形肋阵列结构的光学显微镜图像（e-f）菱形肋的横截面SEM图像。

图3.实验冷却模块和传感器布局。（a）CVD-DMC冷却测试模块和Pt膜布局示意图（b）多层集成模块的分解图（c）组装模块和Pt膜的照片。

图4.实验系统：（a）实验平台示意图（b）照片。

图5.铂膜的电阻-温度特性和热损耗行为的校准（a）双大面积和（b）多点小面积的电阻随温度的变化。（c）双大面积（d）多点小面积的热损耗随温度的变化。

图6.微通道冷却系统的热性能和水力性能的实验结果和模拟结果的比较。（a）不同流动条件下的模具表面温度和（b）压降的比较（c）不同流动条件下模具表面的红外热成像图像。

图7. CVD-DMC和SMC之间的热性能比较。（a）在144 ml/ min的流速下，不同热通量密度下的最大模具温度;（b）在500 W/cm²的热通量密度下，不同冷却剂流速下的热阻。

图8.不同热源下直肋CVD-DMC的热响应。（a）不同热流密度下双大区域的温度分布。（b）不同热流密度下双大区域和多点小区域的温度分布。测试了144 ml/min、192 ml/ min、240 ml/min和288 ml/min的流速。

图9.在500 W/cm²的热通量下，不同流量下具有不同肋结构的CVD-DMC的热工水力特性。（a）表面温度响应与速度等值线的比较（b）压降比较（c）热阻比较（d）PEC比较。

图10.（a）铂膜中的热源分布示意图。（b）三肋深度微通道在不同热通量下不同传感器位置的平均表面温度（D = 0.3、0.5、0.7 mm; Ar=2、3.3、4.7）和（c）三种肋宽度（W = 0.1，0.125，0.15 mm; Ar=3.3，4，5）在固定流速Q = 144 mL/min下（d）D = 0.5 mm和W = 0.15 mm的CVD-DMC的温度分布。

图11.（a）三种肋深的压降比较（D = 0.3、0.5、0.7 mm; Ar=2、3.3、4.7）和（B）三个肋宽度（W = 0.1，0.125，0.15 mm; Ar=3.3，4，5），双点大面积热流密度为500 W/cm 2，多点小面积热流密度为5000 W/cm²。

图12.热阻与（a）三种肋深的比较（D = 0.3、0.5、0.7 mm; Ar=2、3.3、4.7）和（b）三个肋宽度（W = 0.1，0.125，0.15 mm; Ar=3.3，4，5），双点大面积热流密度为500 W/cm²，多点小面积热流密度为5000 W/cm²。

图13.（a）三种肋深的性能比较（D = 0.3、0.5、0.7 mm; Ar=2、3.3、4.7）和（b）三个肋宽度（W = 0.1，0.125，0.15 mm; Ar=3.3，4，5），双点大面积热流密度为500 W/cm²，多点小面积热流密度为5000 W/cm²。