来源 | communications engineering

链接 | https://doi.org/10.1038/s44172-024-00338-6

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背景介绍

随着第三代半导体技术的飞速发展，硅 carbide（SiC）、氮化镓（GaN）等宽禁带材料凭借优异的高频、高压特性，成为高速 rail、电动汽车、国防等领域核心器件的关键支撑。但芯片集成度与功率密度的持续飙升，让散热难题成为制约其性能突破的核心瓶颈 —— 传统封装材料导热性差，芯片热点与冷却液间存在巨大热阻，不仅需要庞大散热器占用空间，还得依赖主动制冷技术消耗大量能源，严重阻碍了电子设备的小型化与能效提升。现有解决方案中，主动冷却需额外泵送功率，结构复杂且不适用于紧凑封装；即便能效更优的浸没式被动冷却，也面临冷却液回流效率不足、温度均匀性难保障的问题。如何打造低阻、高效、节能的散热封装结构，让芯片在高负荷下稳定运行，已成为全球电子封装领域的迫切需求。

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成果掠影

近日，华南师范大学白鹏飞团队创新性提出 “芯片 - 蒸汽室”（CoVC）封装结构，以物理和结构上与芯片兼容的碳化硅（SiC）为基底，嵌入蒸汽室并采用被动相变传热机制，彻底摒弃了传统散热所需的高能耗制冷设备，实现芯片热点热量的快速扩散。为进一步提升传热性能，研究团队通过原位反应烧结与激光烧蚀技术制备多尺度复合吸液芯，并灵感源自植物叶脉设计出 Y 形、放射形、H 形及双叶复合等四种仿生吸液芯结构，其中放射形（P-B）结构表现最优，在 100W 热负荷下热阻低至 0.20℃・W⁻¹，是五种测试结构中的最低值。相较于传统单尺度吸液芯，多尺度结构的散热功率提升 67%，传热性能整体提升 164%，120W 热负荷下芯片结温最低仅 105.14℃，有效避免了热传递恶化现象。 thermal simulation 结果显示，在 100W/cm² 热流密度下，CoVC 封装的芯片最高温度仅 109℃，较传统固体散热片（THS）低 50℃；当热流密度达 160W/cm² 时，其热阻仅为 0.34℃・W⁻¹，仅为传统封装的三分之一。该技术不仅能在不增加能耗的前提下倍增全球计算能力，还能为 2030 年全球数据中心节省约 1200TWh 电力，为新能源汽车、高速列车、国防等领域的高性能芯片提供了紧凑、高效、节能的散热解决方案，具有重大的工业应用价值与环保意义。研究成果以“Bioinspired thermally conducting packaging for heat management of high performance electronic chips”为题发表在《communications engineering》期刊。

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图文导读

图 1 芯片 - 蒸汽室（CoVC）集成热管理概述

a CoVC 传热示意图：芯片产生的热量传导至碳化硅蒸汽室（SCVC），触发冷却液蒸发并将热量传递至蒸汽室外壁；b CoVC 俯视图：芯片通过铜金属化层直接键合在 SCVC 上；c 具有拓扑凹槽的多尺度复合吸液芯，吸液芯可提供足够的毛细压力，将冷凝后的冷却液输送回蒸发器；d 芯片与 SCVC 顶板的集成模型；e 多尺度复合吸液芯细节，吸液芯包含小颗粒、大颗粒和通道，通道可为工作液提供高渗透性，有利于 SCVC 的质量传递和传热。

图 2 芯片 - 蒸汽室（CoVC）爆炸视图

从上至下分别为绝缘栅双极晶体管（IGBT）芯片、顶板（蒸发器）、顶板内表面碳化硅吸液芯、多孔碳化硅柱、底板内表面碳化硅吸液芯、底板（冷凝器）和充液管。

图 3 具有多尺度复合吸液芯的芯片 - 蒸汽室（CoVC）热性能评估

a CoVC 实物图：绝缘栅双极晶体管（IGBT）芯片直接键合在碳化硅蒸汽室（SCVC）上；b 多尺度复合吸液芯与吸液芯柱实物图，吸液芯和吸液芯柱烧结在碳化硅板上；c 多尺度复合吸液芯的扫描电子显微镜（SEM）图像，采用连续二氧化碳激光在吸液芯表面制备凹槽，激光烧蚀后，纳米颗粒沉积在碳化硅大颗粒上形成纳米多孔层；d 纳米多孔结构的 SEM 图像，根据达西定律，纳米级孔隙对冷却液具有强毛细压力；e CoVC 的启动特性；f CoVC 的工作温度曲线；g CoVC 的热阻；h CoVC 在重力辅助和反重力条件下的热性能偏差。

图 4 具有仿生叶脉结构吸液芯的芯片 - 蒸汽室（CoVC）热性能评估

a 不同植物叶脉：Y 形银杏叶脉、放射状棕榈叶脉、H 形香蕉叶脉；b 不同叶脉图案的 CoVC 仿生吸液芯结构：P-A（Y 形银杏叶脉）、P-B（放射状棕榈叶脉）、P-C（H 形银杏叶脉）、P-D（Y 形与 H 形叶脉结合的双叶仿生结构）；c CoVC 的芯片温度；d CoVC 的热阻；e CoVC 的激光烧蚀表面占比与最小热阻，具有 P-B 仿生吸液芯结构的 CoVC 激光烧蚀占比最低，且热阻最小。注：CG = 双向交叉凹槽吸液芯。

图 5 碳化硅蒸汽室（SCVC）与传统固体散热片（THS）封装结构的热性能对比

a SCVC 的热仿真图；b 采用传统固体散热片（THS）的芯片热仿真图；c 含 SCVC 的散热片封装结构示意图；d 含 THS 的散热片封装结构示意图；e SCVC 与 THS 的仿真芯片温度；f SCVC 与 THS 的仿真热阻。

图 6 碳化硅蒸汽室（SCVC）制备流程图

a 实心碳化硅板示意图；b 精密研磨后的 SCVC 底板；c 内表面烧结吸液芯层的 SCVC 碳化硅板；d 吸液芯层激光烧蚀示意图；e 碳化硅板、吸液芯层与充液管的组装示意图；f 脱气、注入去离子水及密封示意图。

图 7 碳化硅板内表面的干燥碳化硅浆料

a 碳化硅块实物图；b 精密研磨后的碳化硅块实物图；c 内表面带有干燥碳化硅浆料的碳化硅板实物图。

图 8 碳化硅蒸汽室（SCVC）热性能测试装置示意图

测试平台主要由四部分组成：功率加热系统、温度数据采集单元、对流冷却单元和样品固定装置。右侧为树脂固定块内部爆炸视图，主要包括金属热源、酚醛树脂绝缘块、SCVC、铜液冷板和弹性垫片。通过整合固定各组件，可实现反重力、顺重力和水平三种工作状态的切换。