導(dǎo)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(guān)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(diǎn)”。因此，針對不同熱流密度區(qū)域設(shè)計不同的散熱方案是有必要的。近期哈爾濱工業(yè)大學(xué)紅外薄膜與晶體團(tuán)隊報道了一種基于金剛石單晶-多晶的復(fù)合微通道熱沉（SP-HMC），超高熱導(dǎo)率單晶金剛石和高導(dǎo)熱多晶金剛石分別用于熱點(diǎn)處高熱流密度區(qū)域及熱點(diǎn)以外的低熱流密度區(qū)域散熱。相關(guān)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(dǎo)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(zhì)，如極高的硬度、紅外到紫外高的光學(xué)透過性、室溫下超高熱導(dǎo)率、高載流子遷移率和禁帶寬度等，可廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工、光學(xué)窗口、電子器件以及散熱應(yīng)用等。但由于襯底尺寸限制，同質(zhì)外延單晶金剛石尺寸一般不超過10mm×10mm。通過異質(zhì)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(fù)雜，現(xiàn)階段難以實現(xiàn)廣泛應(yīng)用，尺寸是限制金剛石材料大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)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?zé)釋?dǎo)率高達(dá)2400W/(m·K)。根據(jù)制備工藝與品質(zhì)的不同，多晶金剛石熱導(dǎo)率大約在1000~2200 W/(m·K)范圍內(nèi)，同時4英寸以上的多晶金剛石已經(jīng)成功制備。由于金剛石單晶和多晶熱導(dǎo)率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于銅、鋁等一般的散熱材料，因此將這兩者結(jié)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(diǎn)”定向散熱問題。

       研究內(nèi)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(diǎn)尺寸

       SP-HMC熱沉幾何模型如圖1所示，復(fù)合熱沉片中心為高熱導(dǎo)率的單晶金剛石，對應(yīng)功率器件高熱流密度區(qū)域，即“熱點(diǎn)”區(qū)域，其余部分為熱導(dǎo)率相對較低的多晶金剛石，對應(yīng)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(diǎn)”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(diǎn)熱流密度qhs=400 W/cm^2 ，背景熱流密度qbg=50 W/cm^2 ，熱點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(dāng)熱點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)熱流密度為qhs=400W/cm^2，熱點(diǎn)尺寸Ahs在2mm×2mm到5mm×5mm范圍內(nèi)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(diǎn)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(diǎn)熱流密度為qhs=400W/cm^2，熱點(diǎn)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(fù)合熱沉光學(xué)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(jié)束后的形貌，經(jīng)過長時間生長，復(fù)合熱沉已經(jīng)實現(xiàn)單晶與多晶的同步外延生長，經(jīng)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(yīng)用. (a)具有一定熱點(diǎn)分布的器件或芯片; (b)根據(jù)熱點(diǎn)分布設(shè)計相應(yīng)的SP-HMC熱沉; (c)將散熱器與器件或芯片進(jìn)行鍵合。

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

       總結(jié)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(diǎn)定向散熱方面的巨大優(yōu)勢，尤其是在大的熱點(diǎn)尺寸和高的熱點(diǎn)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(fù)合熱沉制備方案是容易實現(xiàn)的，經(jīng)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(jié)合了單晶金剛石高熱導(dǎo)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(jìn)一步拓展金剛石在散熱領(lǐng)域的應(yīng)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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