導讀

       隨著功率器件集成化、小型化，散熱問題成為限制器件性能以及穩(wěn)定性的瓶頸，其中值得關注的一個問題是：器件表面的熱源分布是不均勻的，存在一個或者多個熱流密度顯著高于其他區(qū)域的“熱點”。因此，針對不同熱流密度區(qū)域設計不同的散熱方案是有必要的。近期哈爾濱工業(yè)大學紅外薄膜與晶體團隊報道了一種基于金剛石單晶-多晶的復合微通道熱沉（SP-HMC），超高熱導率單晶金剛石和高導熱多晶金剛石分別用于熱點處高熱流密度區(qū)域及熱點以外的低熱流密度區(qū)域散熱。相關研究成果以“Diamond single crystal-polycrystalline hybrid microchannel heat sink strategy for directional heat dissipation of hot spots in power devices”為題發(fā)表在《Diamond and Related Materials》上。并且被列入了SSRN十大下載列表。

       研究背景

       受限于傳統(tǒng)Si(148W/m·K)、Cu(400W/m·K)、Al(237W/m·K)等熱沉材料較低的熱導率，將其作為微通道熱沉基板時散熱性能有限。而單晶金剛石具有眾多優(yōu)異的性質，如極高的硬度、紅外到紫外高的光學透過性、室溫下超高熱導率、高載流子遷移率和禁帶寬度等，可廣泛應用于機械加工、光學窗口、電子器件以及散熱應用等。但由于襯底尺寸限制，同質外延單晶金剛石尺寸一般不超過10mm×10mm。通過異質外延和馬賽克拼接等雖然能夠制備更大尺寸的單晶金剛石，但制備工藝較為復雜，現(xiàn)階段難以實現(xiàn)廣泛應用，尺寸是限制金剛石材料大規(guī)模應用的關鍵問題之一。然而，金剛石作為熱沉片具有很大的發(fā)展前景，其室溫熱導率高達2400W/(m·K)。根據(jù)制備工藝與品質的不同，多晶金剛石熱導率大約在1000~2200 W/(m·K)范圍內，同時4英寸以上的多晶金剛石已經成功制備。由于金剛石單晶和多晶熱導率都遠遠高于銅、鋁等一般的散熱材料，因此將這兩者結合能夠克服金剛石尺寸限制，同時有望解決大尺寸功率器件“熱點”定向散熱問題。

       研究內容

       圖 1 幾何示意圖. （a）SP-HMC熱沉;（b）微通道幾何尺寸;（c）單晶和多晶金剛石以及熱點尺寸

       SP-HMC熱沉幾何模型如圖1所示，復合熱沉片中心為高熱導率的單晶金剛石，對應功率器件高熱流密度區(qū)域，即“熱點”區(qū)域，其余部分為熱導率相對較低的多晶金剛石，對應功率器件熱流密度較低的背景區(qū)域，通過SP-HMC熱沉來實現(xiàn)器件“熱點”與“背景”的定向散熱，同時保證整體的均溫效果。

       圖 2 不同流體流速下SP-HMC熱沉表面溫度分布

       圖2展示了熱點熱流密度qhs=400 W/cm^2 ，背景熱流密度qbg=50 W/cm^2 ，熱點尺寸Ahs與單晶金剛石尺寸ADi均為2mm×2mm，隨著雷諾數(shù)增加，SP-HMC熱沉表面的溫度分布情況。

       圖 3 不同熱點熱流密度下SP-HMC熱沉表面溫度分布

       圖3展示了在雷諾數(shù)Re=640，熱點尺寸Ahs與金剛石尺寸Adi均為2mm×2mm且背景熱流密度qbg=50W/cm^2的情況下，當熱點熱流密度從300W/cm^2增加至1600W/cm^2時，SP-HMC熱沉表面的溫度分布情況。

       圖4 不同熱點尺寸下SP-HMC熱沉表面溫度分布

       圖4展示了雷諾數(shù)Re=640，背景熱流密度qbg=50W/cm^2，熱點熱流密度為qhs=400W/cm^2，熱點尺寸Ahs在2mm×2mm到5mm×5mm范圍內變化時，SP-HMC熱沉表面的溫度分布情況，單晶金剛石尺寸Adi與熱點尺寸Ahs保持一致。   

       圖 5不同單晶金剛石尺寸下SP-HMC熱沉表面溫度分布

       圖5展示了在雷諾數(shù)Re=640，背景熱流密度qbg=50W/cm^2，熱點熱流密度為qhs=400W/cm^2，熱點尺寸Ahs為2mm×2mm，單晶金剛石尺寸從2mm×2mm 增加至4.5mm×4.5mm時，SP-HMC熱沉表面的溫度分布情況。

       圖 6 SP-HMC熱沉生長過程.  (a)30 min; (b)25 h; (c)66 h

       圖 7 SP-HMC熱沉表面與截面SEM圖. (a)復合熱沉光學照片; (b)生長表面; (c)多晶區(qū)域; (d)單晶與多晶連接處的橫截面

       圖6和圖7分別展示了SP-HMC熱沉生長過程及生長結束后的形貌，經過長時間生長，復合熱沉已經實現(xiàn)單晶與多晶的同步外延生長，經過測量，外延層的厚度為484μm，生長速率約為7.3μm/h。

       圖8 SP-HMC熱沉應用. (a)具有一定熱點分布的器件或芯片; (b)根據(jù)熱點分布設計相應的SP-HMC熱沉; (c)將散熱器與器件或芯片進行鍵合。

       如圖8所示，SP-HMC散熱器的優(yōu)點是可以根據(jù)不同設備的熱點分布進行定制，從而實現(xiàn)高熱流密度熱點的定向高效散熱。

       總結與展望

       本研究從理論上證實了SP-HMC熱沉的散熱策略在功率器件熱點定向散熱方面的巨大優(yōu)勢，尤其是在大的熱點尺寸和高的熱點熱流密度的情況下，其優(yōu)勢更為明顯。單晶金剛石與多晶金剛石拼接生長實驗表明，所提出的復合熱沉制備方案是容易實現(xiàn)的，經過66h的生長，獲得了390μm的連接層厚度。本研究提出的散熱方案結合了單晶金剛石高熱導率與多晶金剛石大尺寸的優(yōu)勢，將有望在解決大尺寸功率器件不同散熱需求的情況下有效降低熱沉制備成本，進一步拓展金剛石在散熱領域的應用。

       論文信息

       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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