來(lái)源：International Journal of Heat and Mass Transfer

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.127836

01 背景介紹

隨著人工智能技術(shù)發(fā)展，集成電路特征尺寸不斷微型化、集成密度持續(xù)提升，導(dǎo)致器件級(jí)熱流密度大幅增加，目前電子芯片熱流密度已達(dá)約 1000 W/cm2，局部熱點(diǎn)甚至超過(guò)數(shù)千 W/cm2。若熱量無(wú)法有效散出，會(huì)導(dǎo)致器件溫度升高、性能下降、穩(wěn)定性與可靠性受損，極端情況下引發(fā)失效或熱燒毀。微通道散熱器因高熱效率、結(jié)構(gòu)緊湊、易系統(tǒng)集成成為熱門(mén)技術(shù)，但需解決幾何構(gòu)型導(dǎo)致的壓降升高、高溫下表面特性難維持等問(wèn)題。金剛石憑借極高熱導(dǎo)率（1000-2200 W/(m?K)）、高熔點(diǎn)、電絕緣性，AlN 襯底憑借導(dǎo)熱性與熱膨脹系數(shù)優(yōu)勢(shì)，Pt 薄膜憑借 “加熱 - 測(cè)溫” 雙功能，成為優(yōu)化微通道冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵材料，旨在開(kāi)發(fā)基于 CVD-DMCs 的異質(zhì)材料集成冷卻方案，解決高熱流熱管理難題。

02 成果掠影

近日，南京理工大學(xué)胡定華聯(lián)合中國(guó)工程物理研究院微系統(tǒng)與太赫茲研究中心Quanfeng Zhou團(tuán)隊(duì)，提出了一種基于化學(xué)氣相沉積金剛石微通道的異質(zhì)材料集成冷卻方案（CVD-DMCs），并通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法系統(tǒng)地研究了其在超高熱流條件下的傳熱性能。對(duì)矩形、圓形和菱形等不同肋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比模擬分析，確定菱形肋為最佳肋結(jié)構(gòu)，肋深（D）和肋寬（W）為關(guān)鍵幾何參數(shù)，并制作了一種大面積雙多點(diǎn)小面積Pt膜非均勻多熱源測(cè)試芯片，通過(guò)AuSn共晶鍵合，到安裝在AlN襯底上的飛秒激光加工的CVD-DMC結(jié)構(gòu)上，形成完整的測(cè)試模型。在144 mL/min流速，1100 W/cm2熱通量的極端條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（雙大面積）和11000 W/cm2（多點(diǎn)小區(qū)域）證明了D為0.5 mm的菱形肋結(jié)構(gòu)，在本研究所研究的結(jié)構(gòu)中，0.15 mm的W獲得了最佳的冷卻性能。將模具溫度降低到108 ℃，壓力降（ΔP）進(jìn)一步的分析表明，優(yōu)化肋寬比肋深更能有效地強(qiáng)化換熱，同時(shí)減小流動(dòng)阻力。驗(yàn)證了多點(diǎn)小面積集成芯片級(jí)局部加熱和溫度測(cè)量的可行性和準(zhǔn)確性，揭示了CVD-DMC肋結(jié)構(gòu)對(duì)熱性能的關(guān)鍵影響，提出了一種適用于高熱流密度電子器件的高效集成冷卻設(shè)計(jì)方案。研究成果“Experimental and numerical study of CVD diamond microchannel cooling for high heat flux heterogeneous material-integrated dies”為題發(fā)表在《International Journal of Heat and Mass Transfer》

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