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       导读

       随着功率器件集成化、小型化，散热问题成为限制器件性能以及稳定性的瓶颈，其中值得关注的一个问题是：器件表面的热源分布是不均匀的，存在一个或者多个热流密度显著高于其他区域的“热点”。因此，针对不同热流密度区域设计不同的散热方案是有必要的。近期哈尔滨工业大学红外薄膜与晶体团队报道了一种基于金刚石单晶-多晶的复合微通道热沉（SP-HMC），超高热导率单晶金刚石和高导热多晶金刚石分别用于热点处高热流密度区域及热点以外的低热流密度区域散热。相关研究成果以“Diamond single crystal-polycrystalline hybrid microchannel heat sink strategy for directional heat dissipation of hot spots in power devices”为题发表在《Diamond and Related Materials》上。并且被列入了SSRN十大下载列表。

       研究背景

       受限于传统Si(148W/m·K)、Cu(400W/m·K)、Al(237W/m·K)等热沉材料较低的热导率，将其作为微通道热沉基板时散热性能有限。而单晶金刚石具有众多优异的性质，如极高的硬度、红外到紫外高的光学透过性、室温下超高热导率、高载流子迁移率和禁带宽度等，可广泛应用于机械加工、光学窗口、电子器件以及散热应用等。但由于衬底尺寸限制，同质外延单晶金刚石尺寸一般不超过10mm×10mm。通过异质外延和马赛克拼接等虽然能够制备更大尺寸的单晶金刚石，但制备工艺较为复杂，现阶段难以实现广泛应用，尺寸是限制金刚石材料大规模应用的关键问题之一。然而，金刚石作为热沉片具有很大的发展前景，其室温热导率高达2400W/(m·K)。根据制备工艺与品质的不同，多晶金刚石热导率大约在1000~2200 W/(m·K)范围内，同时4英寸以上的多晶金刚石已经成功制备。由于金刚石单晶和多晶热导率都远远高于铜、铝等一般的散热材料，因此将这两者结合能够克服金刚石尺寸限制，同时有望解决大尺寸功率器件“热点”定向散热问题。

       研究内容

       图 1 几何示意图. （a）SP-HMC热沉;（b）微通道几何尺寸;（c）单晶和多晶金刚石以及热点尺寸

       SP-HMC热沉几何模型如图1所示，复合热沉片中心为高热导率的单晶金刚石，对应功率器件高热流密度区域，即“热点”区域，其余部分为热导率相对较低的多晶金刚石，对应功率器件热流密度较低的背景区域，通过SP-HMC热沉来实现器件“热点”与“背景”的定向散热，同时保证整体的均温效果。

       图 2 不同流体流速下SP-HMC热沉表面温度分布

       图2展示了热点热流密度qhs=400 W/cm^2 ，背景热流密度qbg=50 W/cm^2 ，热点尺寸Ahs与单晶金刚石尺寸ADi均为2mm×2mm，随着雷诺数增加，SP-HMC热沉表面的温度分布情况。

       图 3 不同热点热流密度下SP-HMC热沉表面温度分布

       图3展示了在雷诺数Re=640，热点尺寸Ahs与金刚石尺寸Adi均为2mm×2mm且背景热流密度qbg=50W/cm^2的情况下，当热点热流密度从300W/cm^2增加至1600W/cm^2时，SP-HMC热沉表面的温度分布情况。

       图4 不同热点尺寸下SP-HMC热沉表面温度分布

       图4展示了雷诺数Re=640，背景热流密度qbg=50W/cm^2，热点热流密度为qhs=400W/cm^2，热点尺寸Ahs在2mm×2mm到5mm×5mm范围内变化时，SP-HMC热沉表面的温度分布情况，单晶金刚石尺寸Adi与热点尺寸Ahs保持一致。   

       图 5不同单晶金刚石尺寸下SP-HMC热沉表面温度分布

       图5展示了在雷诺数Re=640，背景热流密度qbg=50W/cm^2，热点热流密度为qhs=400W/cm^2，热点尺寸Ahs为2mm×2mm，单晶金刚石尺寸从2mm×2mm 增加至4.5mm×4.5mm时，SP-HMC热沉表面的温度分布情况。

       图 6 SP-HMC热沉生长过程.  (a)30 min; (b)25 h; (c)66 h

       图 7 SP-HMC热沉表面与截面SEM图. (a)复合热沉光学照片; (b)生长表面; (c)多晶区域; (d)单晶与多晶连接处的横截面

       图6和图7分别展示了SP-HMC热沉生长过程及生长结束后的形貌，经过长时间生长，复合热沉已经实现单晶与多晶的同步外延生长，经过测量，外延层的厚度为484μm，生长速率约为7.3μm/h。

       图8 SP-HMC热沉应用. (a)具有一定热点分布的器件或芯片; (b)根据热点分布设计相应的SP-HMC热沉; (c)将散热器与器件或芯片进行键合。

       如图8所示，SP-HMC散热器的优点是可以根据不同设备的热点分布进行定制，从而实现高热流密度热点的定向高效散热。

       总结与展望

       本研究从理论上证实了SP-HMC热沉的散热策略在功率器件热点定向散热方面的巨大优势，尤其是在大的热点尺寸和高的热点热流密度的情况下，其优势更为明显。单晶金刚石与多晶金刚石拼接生长实验表明，所提出的复合热沉制备方案是容易实现的，经过66h的生长，获得了390μm的连接层厚度。本研究提出的散热方案结合了单晶金刚石高热导率与多晶金刚石大尺寸的优势，将有望在解决大尺寸功率器件不同散热需求的情况下有效降低热沉制备成本，进一步拓展金刚石在散热领域的应用。

       论文信息

       Xiaobin Hao, Benjian Liu, Yicun Li, Jiwen Zhao, Sen Zhang, Dongyue Wen, Kang Liu, Bing Dai, Jiecai Han, Jiaqi Zhu. Diamond single crystal-polycrystalline hybrid microchannel heat sink strategy for directional heat dissipation of hot spots in power devices [J]. Diam. Relat. Mater., 135, 109858(2023).

DOI: https://doi.org/10.1016/j.diamond.2023.109858

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