金剛石基材料及其表面微通道制備技術(shù)在高效散熱中的應(yīng)用

摘要" 隨著第三代半導(dǎo)體材料的興起，電子器件逐漸向著高功率、小型化、集成化方向發(fā)展。傳統(tǒng)散熱技術(shù)已難以滿足第三代半導(dǎo)體器件高熱流的散熱要求，由此帶來的溫度堆積問題成為器件失效的主要原因。金剛石基材料具有優(yōu)異的散熱性能，基于此材料的高效散熱技術(shù)有望解決高熱流散熱難題。總結(jié)了金剛石基材料的發(fā)展及其表面微通道制備的主要方法，綜述了金剛石基材料在高效散熱領(lǐng)域中的應(yīng)用和未來的發(fā)展方向。金剛石基材料高效散熱技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用能夠?yàn)楦邿崃髅芏壬犭y題的解決提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞" 金剛石；微通道；加工；高效散熱

第三代半導(dǎo)體材料具有較高的禁帶寬度、電子飽和速度、擊穿場強(qiáng)、抗輻射能力以及材料熱導(dǎo)率，是高性能電子器件、光電器件、射頻微波器件等發(fā)展的基礎(chǔ)，在高功率雷達(dá)、高能激光、新能源汽車、電力電網(wǎng)、5G通信、光伏等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，基于第三代半導(dǎo)體材料的電子器件在提升性能的同時(shí)，其功率密度激增，隨之而來的散熱問題也愈發(fā)嚴(yán)峻。

隨著電子器件逐漸向集成化、小型化發(fā)展，芯片內(nèi)晶體管的集成度不斷上升，熱流密度急劇增加。2021年，國際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖（ITRS）預(yù)測到2020年，集成電路功率密度將增加至100 W/cm2[1]，而實(shí)際情況已大大超出預(yù)期，電子芯片的熱流密度已超過500 W/cm2，熱點(diǎn)處更是高達(dá)1 000 W/cm2[2]。由于傳統(tǒng)散熱材料/器件散熱能力的不足，第三代半導(dǎo)體器件只能發(fā)揮其理論性能的20%～30%。若要達(dá)到第三代半導(dǎo)體器件性能的理論極限，熱流密度將再提高1個(gè)數(shù)量級，熱點(diǎn)處的熱流密度接近太陽表面的熱流密度[3]。為提高電子器件的性能，充分發(fā)揮第三代半導(dǎo)體材料在微電子領(lǐng)域的潛力，高效的散熱是關(guān)鍵：熱點(diǎn)與周圍區(qū)域熱流密度差異巨大，需要更高導(dǎo)熱的材料實(shí)現(xiàn)均溫；器件整體發(fā)熱巨大，需要更高效的散熱方式帶走熱量。金剛石基材料指單晶、多晶金剛石材料及其與金屬復(fù)合而成的高導(dǎo)熱材料，相比傳統(tǒng)金屬散熱材料，金剛石基材料的熱導(dǎo)率提升了數(shù)倍，能夠顯著提升散熱效率。因此，基于金剛石基材料的高效散熱方法（如金剛石基微通道液冷散熱、金剛石作為熱擴(kuò)散層等），成為超高熱流散熱研究的熱點(diǎn)。

本文針對金剛石基材料散熱器件，綜述了高導(dǎo)熱金剛石及金剛石增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀、金剛石基材料表面微通道結(jié)構(gòu)的加工方法、金剛石基材料高性能散熱方法及其應(yīng)用現(xiàn)狀等。

1" 金剛石基高導(dǎo)熱材料的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著電子器件熱流密度的急劇增加及散熱問題的日趨嚴(yán)峻，傳統(tǒng)的基于鋁、銅及其合金的純金屬散熱材料已難以滿足電子設(shè)備的散熱需求，急需發(fā)展新型高性能散熱材料。金剛石材料具有超高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)、低密度等特點(diǎn)，以高溫高壓（high temperature high pressure，HTHP）[4-6]和化學(xué)氣相沉積（chemical vapor deposition，CVD）[7–10]為代表的人工合成金剛石技術(shù)得到深入發(fā)展，推動(dòng)了金剛石材料在散熱領(lǐng)域的應(yīng)用。HTHP法合成的金剛石晶粒尺寸較小，限制了其在大面積散熱領(lǐng)域的應(yīng)用[11]，而CVD法能夠合成尺寸較大的金剛石散熱片。HUANG等[12]采用直流電弧等離子體噴射CVD法制備了直徑為7英寸（17.78 cm）、平均厚度為1.54 mm的大尺寸金剛石散熱片，實(shí)現(xiàn)了（1 728.0 ± 4.9）W/（m·K）的熱導(dǎo)率，其有望成為高性能散熱領(lǐng)域的核心材料。然而，現(xiàn)有的人工合成金剛石方法生長速率慢，尤其在合成大尺寸散熱片時(shí)成本高昂。同時(shí)，人工合成金剛石的熱膨脹系數(shù)難以與大多數(shù)熱源相匹配，導(dǎo)致散熱過程中出現(xiàn)熱應(yīng)力。上述因素共同限制了金剛石材料在散熱領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。

金剛石增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是以鋁、銅等與金剛石具有一定親和性的金屬材料為基體結(jié)合劑，以高導(dǎo)熱金剛石顆粒為增強(qiáng)相，采用粉末冶金、高溫高壓、浸滲等方法制備的具有高導(dǎo)熱性能的新型散熱材料。金剛石增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料集成了金剛石材料高導(dǎo)熱的特性以及金屬材料大尺寸、易成形的特點(diǎn)，具有高熱導(dǎo)率（≥ 600 W/（m·K））、低密度（3.0～7.0 g/cm3）、熱膨脹系數(shù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，能夠形成較大尺寸的散熱片，相比金剛石材料成本顯著降低。EKIMOV等[13]在高溫高壓（2 100 K，8 GPa）條件下制備出的金剛石/銅復(fù)合材料的熱導(dǎo)率達(dá)到900 W/（m·K），然而其制備壓力過于苛刻，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。LI等[14]通過大粒徑金剛石增強(qiáng)相顆粒、高金剛石增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)、高致密度與高異質(zhì)材料界面熱導(dǎo)協(xié)同優(yōu)化，獲得了熱導(dǎo)率高達(dá)（1 021 ± 34）W/（m·K）的金剛石/鋁復(fù)合材料，其為目前所報(bào)道的金剛石增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料熱導(dǎo)率最高值。上述研究采用異質(zhì)材料導(dǎo)熱界面調(diào)控的方法，為高性能金剛石增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的工業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。金剛石基材料與傳統(tǒng)金屬散熱材料的性能對比如表1所示，金剛石基材料具有輕質(zhì)、高效的特點(diǎn)，其熱導(dǎo)率/密度（λ/ρ）值是傳統(tǒng)金屬散熱材料（如Invar、Kovar合金等）的數(shù)百倍，是解決超高熱流散熱難題的理想散熱材料?；谏鲜鰞?yōu)勢，金剛石基材料被稱為第四代散熱材料，是大功率電子器件、半導(dǎo)體芯片、5G通信、T/R組件等器件的關(guān)鍵散熱材料。

2" 金剛石基材料表面微通道的加工方法

在金剛石基材料表面直接加工微通道的過程中，利用金剛石基材料的高導(dǎo)熱特性，將熱源的熱量迅速傳遞給冷卻液，是超高熱流散熱領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。由于金剛石基材料的超硬特性，在其表面加工出具有高深寬比、高垂直度、高重復(fù)度的陣列微通道面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。目前，以激光加工、等離子體刻蝕、沉積復(fù)制法為代表的加工方法是金剛石基材料表面微通道制備的主要方法。

2.1" 激光加工

激光加工具有非接觸、無機(jī)械應(yīng)力、無工具磨損、無加工材料類型限制等特點(diǎn)[18]，是金剛石基材料表面微通道加工的理想方法[19–23]。姜海濤等[24]運(yùn)用飛秒激光在多晶金剛石表面加工了陣列微通道結(jié)構(gòu)，微通道寬度為200 μm、深度為200～1 400 μm，深寬比為1～7，如圖1a所示。在優(yōu)化的激光加工參數(shù)下，能夠獲得表面質(zhì)量好、一致性較高的微通道，如圖1b所示。然而，受到激光光束高斯傳輸特性的影響，激光直接加工法制備的微結(jié)構(gòu)存在結(jié)構(gòu)寬度隨深度增加逐漸減小、近似V形的現(xiàn)象。韋新宇等[25]研究了紫外納秒激光加工金剛石微通道，獲得了深寬比為12的微通道結(jié)構(gòu)，但結(jié)構(gòu)輪廓仍然近似V形，如圖2所示。

針對高斯激光光束加工微通道存在近似V形結(jié)構(gòu)而無法獲得高精度結(jié)構(gòu)輪廓的問題，F(xiàn)U等[26]采用水導(dǎo)激光加工方法實(shí)現(xiàn)了深寬比為15的微通道的精密加工，如圖3a、圖3b所示，微通道寬度為55 μm、深度為460～840 μm。水導(dǎo)激光加工的特點(diǎn)是以微細(xì)水流（直徑數(shù)十微米）為激光傳導(dǎo)介質(zhì)，激光在水流內(nèi)發(fā)生全反射并傳導(dǎo)至加工區(qū)域。水流對激光的導(dǎo)向作用增加了激光聚焦的景深，能夠?qū)崿F(xiàn)高深寬比微結(jié)構(gòu)加工，水射流及時(shí)冷卻加工區(qū)域能夠有效減少激光加工損傷。WEI等[27]通過調(diào)整水導(dǎo)激光與金剛石材料表面的夾角，加工出具有倒V形結(jié)構(gòu)的金剛石微通道熱沉，如圖3c、圖3d所示。相較于常規(guī)的矩形微通道結(jié)構(gòu)，倒V形結(jié)構(gòu)能增大固液換熱面積，從而進(jìn)一步提高金剛石微通道熱沉的冷卻能力。ZHOU等[28]探究了超聲輔助水導(dǎo)加工的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)聲流可以輔助沖刷激光加工產(chǎn)生的碎屑，并將水流受熱產(chǎn)生的氣泡及時(shí)帶走，從而使其材料去除率遠(yuǎn)高于無超聲輔助的水導(dǎo)激光加工。

綜上所述，激光加工是金剛石基材料表面微通道加工的重要方法，優(yōu)化激光加工參數(shù)能夠提高激光加工微通道輪廓結(jié)構(gòu)精度及一致性，水導(dǎo)激光能夠克服傳統(tǒng)激光加工存在的V形輪廓現(xiàn)象，獲得高精度、高深寬比的微通道結(jié)構(gòu)，解決金剛石材料微通道加工的難題，為金剛石基材料微通道散熱器件的應(yīng)用提供有效技術(shù)支撐。

2.2" 等離子體刻蝕加工

等離子體刻蝕也是金剛石材料表面微結(jié)構(gòu)加工的重要方法，在等離子體的轟擊下，金剛石材料表面原子通過化學(xué)反應(yīng)揮發(fā)，從而完成微結(jié)構(gòu)的加工。FORSBERG等[29]利用等離子體刻蝕技術(shù)成功制造出具有大深寬比的金剛石光學(xué)器件，刻蝕金剛石寬度為微米級、深寬比≥6，但刻蝕微通道側(cè)壁存在一定傾斜，如圖4所示。

FU等[30]以O(shè)2/Ar混合氣體為蝕刻氣體，對CVD金剛石薄膜進(jìn)行選擇性刻蝕，能夠?qū)崿F(xiàn)毫米級的復(fù)雜微結(jié)構(gòu)的精密加工，如圖5a所示。SUN等[31]采用電子束刻蝕（e-beam lithography，EBL）與電感耦合等離子體（inductively coupled plasma，ICP）刻蝕工藝，在CVD金剛石材料上制備出如圖5b所示的微納結(jié)構(gòu)陣列，其長徑比達(dá)到10，顯現(xiàn)出良好的一致性。HICKS等[32]采用O2/Ar的混合氣體刻蝕金剛石材料，刻蝕深度達(dá)十微米，如圖5c所示?？涛g速率隨著混合氣體中O2濃度的增加而增大。ZHU等[33]采用熱回流與干法蝕刻技術(shù)，在金剛石材料上加工出六邊形陣列，其加工過程如圖5d所示。在經(jīng)過拋光處理的金剛石板上涂覆掩膜，并采用光刻技術(shù)在掩膜上加工出圖案陣列；在160 ℃下，掩膜融化并將圖案轉(zhuǎn)移到金剛石材料表面，并在O2/Ar氛圍下采用干法蝕刻技術(shù)在金剛石上加工出微結(jié)構(gòu)陣列。

綜上所述，以O(shè)2/Ar為蝕刻氣體的等離子體刻蝕技術(shù)是在金剛石材料表面加工微結(jié)構(gòu)陣列的有效方法，且所加工結(jié)構(gòu)的精度較高，能夠?qū)崿F(xiàn)毫米級到納米級的表面精密刻蝕加工。等離子體刻蝕能夠制備復(fù)雜表面結(jié)構(gòu)，為高性能微通道金剛石散熱器件制造提供了技術(shù)支持。

2.3" 模型復(fù)制法

模型復(fù)制法是金剛石材料表面微通道加工的新方法，通過在周期性微結(jié)構(gòu)表面沉積金剛石，采用其他加工方法去除襯底材料，獲得復(fù)制的金剛石微結(jié)構(gòu)表面[34]。CHANDRAN等[35]以單晶硅微結(jié)構(gòu)表面為襯底，采用熱絲化學(xué)氣相沉積法（hot filament chemical vapor deposition，HFCVD）沉積金剛石材料，獲得寬度為5 μm、深度為5～45 μm的金剛石微結(jié)構(gòu)表面。然而，隨著模具襯底微結(jié)構(gòu)深寬比的增加，襯底微溝槽底部金剛石沉積層厚度逐漸降低，甚至出現(xiàn)明顯的缺陷。

LIU等[36]研究了CVD金剛石在銅質(zhì)微通道模具中的生長規(guī)律，通過納米金剛石懸浮液超聲振蕩加載籽晶，隨后采用HFCVD在銅模板圓柱形微通道內(nèi)成功制備出三維結(jié)構(gòu)的金剛石膜，如圖6所示。

袁佳晶等[34]通過在單晶硅微結(jié)構(gòu)襯底上沉積金剛石，然后使用化學(xué)腐蝕法去除襯底材料，制備了金剛石微結(jié)構(gòu)表面，如圖7a所示。LU等[37]探究了金剛石在Si模具上的生長方式，發(fā)現(xiàn)CVD沉積過程中氣體在模具表面的速度分布不均勻，是模具復(fù)制法所制造的金剛石微結(jié)構(gòu)存在缺陷的主要原因，并成功制備了帶有大深寬比的金剛石微通道結(jié)構(gòu)，如圖7b所示。

3" 金剛石基材料在高性能散熱中的應(yīng)用

3.1" 基于金剛石材料的微通道散熱應(yīng)用

現(xiàn)有的加工方法能夠在金剛石基材料表面獲得高質(zhì)量的陣列微通道，滿足高效液冷散熱對結(jié)構(gòu)的加工要求。在單晶/多晶金剛石上直接加工出液冷微通道結(jié)構(gòu)，是超高熱流散熱的重要方法。YANG等[19]在多晶金剛石上制備了寬度為300 μm、深度為1 500 μm的平行微通道，采用液氨為冷卻工質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了熱流密度為267 W/cm2的有效冷卻。在此基礎(chǔ)上，YANG等[22]在冷卻工質(zhì)液氨處于飽和溫度（25 ℃）、質(zhì)量流量為675 kg/（m2·s）的情況下，實(shí)現(xiàn)1 000.4 W/cm2熱流密度的散熱。金剛石高導(dǎo)熱的特性能夠?qū)⒅行臒嵩礋崃繖M向擴(kuò)散并通過微通道液冷傳熱及時(shí)導(dǎo)出，從而有效控制器件整體工作溫度及其均勻性，避免銅質(zhì)微通道常見的中心熱點(diǎn)熱量堆積。

QI等[21]制備了深寬比為3的金剛石微通道，如圖8a、圖8b所示，發(fā)現(xiàn)金剛石微通道的導(dǎo)熱系數(shù)比鋁制微通道的高37%～73%，且能以更低的冷卻工質(zhì)質(zhì)量流量實(shí)現(xiàn)更好的冷卻效果，金剛石微通道在全實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)均維持穩(wěn)定的單相液流，而鋁材較低的熱導(dǎo)率導(dǎo)致微通道內(nèi)產(chǎn)生了冷卻工質(zhì)沸騰。在此基礎(chǔ)上，QI等[38]對金剛石微通道的表面進(jìn)行化學(xué)改性以獲得強(qiáng)親水性表面，如圖8c所示，發(fā)現(xiàn)金剛石微通道的傳熱性能提升了20%～50%，熱阻下降了14%～28%，熱源的表面溫度也進(jìn)一步下降。

沿著金剛石微通道表面化學(xué)改性這一思路，TU等[39]進(jìn)一步探究了金剛石微通道表面親疏水性對傳熱性能的影響。研究者分別采用O2?、H+、F?溶液對金剛石微通道進(jìn)行表面處理，如圖9所示。F?溶液處理增強(qiáng)了表面疏水性，使得工質(zhì)與微通道界面的固液接觸減少，散熱能力略有降低。O2?、H+溶液處理增強(qiáng)了表面親水性，并使得散熱性能有效提升。但隨著高溫流體的持續(xù)作用，H+處理后的金剛石表面的C—H鍵轉(zhuǎn)化為C—O鍵，而O2?溶液處理后的金剛石表面的C—O鍵較為穩(wěn)定。由此可知，表面親/疏水性對金剛石微通道散熱性能有重要影響，表面親水處理能夠增加微通道界面與液體工質(zhì)間的接觸進(jìn)而提高換熱能力，而O2?溶液表面處理具有更好的熱穩(wěn)定性。

金剛石材料表面的化學(xué)改性能夠在一段時(shí)間內(nèi)提高金剛石微通道的散熱性能，但散熱性能會(huì)隨著時(shí)間退化。針對這一問題，PALKO等[23]提出更可靠的金剛石微通道表面處理方法。研究者采用激光加工深寬比為1∶1的陣列V形金剛石微通道，如圖10所示，并在其表面電鍍銅質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)使得多孔結(jié)構(gòu)牢固耦合在金剛石材料表面，增大了微通道表面與液體工質(zhì)間的接觸面積，使得散熱器件能夠?qū)O小面積的高熱流均勻擴(kuò)散到整個(gè)微通道散熱器件，從而在實(shí)現(xiàn)1 280 W/cm2的散熱能力的同時(shí)保持極高的均溫能力。

近年來，針對金剛石材料作為微通道散熱器件的研究工作如表2所示。金剛石材料能夠及時(shí)將熱源產(chǎn)生的熱流擴(kuò)散至整個(gè)散熱器件并通過微通道液冷高效散熱，實(shí)現(xiàn)≥1 000 W/cm2的超高熱流散熱。親水性表面、表面多孔結(jié)構(gòu)等表面處理方法能夠有效提高金剛石微通道散熱器件的散熱性能。

3.2" 基于金剛石增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的微通道散熱應(yīng)用

金剛石增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料能夠以較低的成本實(shí)現(xiàn)散熱片較大的尺寸與厚度，且能通過調(diào)整金剛石增強(qiáng)相的比例，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的調(diào)控?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，研究者將目光投向金剛石增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，并嘗試在該材料上加工出表面微通道結(jié)構(gòu)。巫永鵬[41]采用電鍍法制備了熱導(dǎo)率為614.87 W/（m·K）的銅基金剛石復(fù)合材料，并采用紫外-LIGA法在復(fù)合材料表面制備了十字交叉微通道，微通道寬度為250 μm、深度為500 μm，如圖11所示。

張永建等[42]采用氣壓浸滲法制備了熱導(dǎo)率為850 W/（m·K）的銅-硼基金剛石復(fù)合材料熱沉，如圖12所示，并測試了其與同尺寸的純銅與純鋁熱沉在自然冷卻、強(qiáng)迫風(fēng)冷和強(qiáng)迫水冷3種冷卻模式下的散熱效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著熱源功率的增大，復(fù)合材料的散熱效果越明顯。在強(qiáng)迫水冷模式下，復(fù)合材料翅片熱沉的整體溫度更低，且溫度分布更均勻。

CONSTANTIN等[43]

采用激光定向能量沉積（laser direct energy deposition，LDED）技術(shù)，以金屬增材制造的方法直接打印出銅基金剛石復(fù)合材料微通道熱沉，如圖13所示。其中，金剛石粒度為105 μm、表面涂覆TiO2-TiC涂層，金剛石體積分?jǐn)?shù)為25%，復(fù)合材料熱導(dǎo)率達(dá)到330 W/（m·K），微通道結(jié)構(gòu)參數(shù)未見報(bào)道。該研究為金剛石增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料微通道散熱器件制備提供了新的思路。

隨著復(fù)合材料合成工藝的發(fā)展，所獲得的金剛石增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的性能越來越高?；诮饎偸鰪?qiáng)金屬基復(fù)合材料的微通道散熱研究尚處于起始階段，但已能夠?qū)崿F(xiàn)1.0 kW/cm2及以上熱流密度的高效散熱，可見應(yīng)用前景極其廣闊。

3.3" 基于金剛石熱擴(kuò)散層與金屬微通道結(jié)合的散熱應(yīng)用

利用金剛石基材料直接制備的微通道熱沉，在材料成本和加工難度方面都遠(yuǎn)高于金屬微通道熱沉?；诖?，有研究者提出以金剛石薄膜為熱擴(kuò)散層，并將其與金屬散熱材料制備的微通道相耦合這一技術(shù)路線。該方法不僅能夠有效降低散熱器件整體成本與加工難度，而且由于金剛石熱擴(kuò)散層的存在，局部高熱流能夠迅速擴(kuò)散，降低器件峰值工作溫度，同時(shí)增大散熱系統(tǒng)的有效換熱面積。

研究者采用仿真手段驗(yàn)證了金剛石熱擴(kuò)散層與金屬微通道相結(jié)合技術(shù)的可行性。ZHANG等[44]采用有限元仿真分析設(shè)計(jì)了如圖14a所示的金剛石熱擴(kuò)散層復(fù)合微通道液冷熱沉結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)高導(dǎo)熱性能的金剛石能夠有效降低熱源結(jié)溫并提高熱源表面的溫度均勻性。為探究金剛石熱擴(kuò)散層厚度的臨界值，ZHANG等[45]以金剛石為GaN器件的散熱襯底（如圖14b所示），發(fā)現(xiàn)當(dāng)金剛石熱擴(kuò)散層厚度lt;1 μm時(shí)，金剛石熱擴(kuò)散層熱導(dǎo)率出現(xiàn)各向異性，將會(huì)引起熱源溫度上升19 ℃。為獲得較高的熱源溫度均勻性，ZHANG等[46]進(jìn)一步將金剛石熱擴(kuò)散層與歧管微通道液冷相結(jié)合（如圖14c所示），發(fā)現(xiàn)金剛石熱擴(kuò)散層能夠大幅降低熱沉的擴(kuò)散熱阻、整體熱阻與器件的工作溫度，且隨著金剛石層厚度的增加，熱阻降低效果愈發(fā)明顯。

隨著金剛石金屬化鍍層等異種材料高導(dǎo)熱耦合工藝的發(fā)展，研究者構(gòu)建出金剛石熱擴(kuò)散層與金屬微通道相結(jié)合的散熱器件實(shí)物。HAN等[47]設(shè)計(jì)了基于金剛石熱擴(kuò)散層復(fù)合銅質(zhì)微通道液冷的散熱方案，如圖15a所示，芯片最高工作溫度與純銅微通道的相比下降了11.5%～22.9%。在此基礎(chǔ)上，HAN等[48]引入微射流陣列，如圖15b所示，熱點(diǎn)熱流冷卻能力達(dá)到10 kW/cm2級。針對GaN器件的高效散熱問題，CALAME等[49]設(shè)計(jì)了SiC微通道與金剛石熱擴(kuò)散層的復(fù)合結(jié)構(gòu)，有效冷卻了小面積GaN功率器件4～5 kW/cm2級熱流。CAMPBELL等[50]在GaN芯片中引入厚度為150 μm的金剛石襯底，并結(jié)合微通道液冷，有效提高了電路的性能和可靠性。

近年來，針對金剛石熱擴(kuò)散層與金屬微通道高效液冷散熱相結(jié)合的研究工作如表3所示。金剛石熱擴(kuò)散層的存在極大提高了金屬微通道應(yīng)對高熱流的散熱能力，新型散熱方法能夠?qū)?0 kW/cm2級的局部熱點(diǎn)實(shí)現(xiàn)高效冷卻，是解決高功率GaN器件、芯片等超高熱流元件熱點(diǎn)散熱難題的有效方法。隨著金剛石生長技術(shù)與異種材料高導(dǎo)熱耦合技術(shù)的進(jìn)步，該散熱方法將在大功率電子器件中具有廣闊的應(yīng)用前景。

4" 總結(jié)與展望

金剛石基材料作為輕質(zhì)、高效的散熱材料，吸引著無數(shù)研究者的目光，有望成為大功率器件熱管理過程中的關(guān)鍵散熱材料。隨著材料合成工藝的發(fā)展，金剛石基材料向著更低成本、更大尺寸等方面發(fā)展，以符合高性能散熱領(lǐng)域?qū)ι岵牧咸岢龅母咭蟆?/p>

金剛石基材料高硬度、高強(qiáng)度的特性對金表面微通道的精密加工帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。激光加工、等離子體刻蝕等基于能量的方法，以及模型復(fù)制法等基于氣相沉積的方法，為金剛石基材料表面微通道的加工提供了有效的解決途徑，能夠?qū)崿F(xiàn)深寬比≥15的高深寬比微通道的精密加工，從而有效滿足微通道散熱結(jié)構(gòu)的制造需求。

金剛石基材料在高效散熱領(lǐng)域應(yīng)用的研究，主要聚焦于金剛石基材料直接制備液冷微通道，以及金剛石基材料作為熱擴(kuò)散層與金屬微通道進(jìn)行耦合2條路線，上述方法結(jié)合了金剛石基材料高導(dǎo)熱的特性以及微通道高效對流換熱的能力，為新型超高熱流器件的高效散熱提供了全新的技術(shù)手段。通過散熱器件結(jié)構(gòu)與界面特性的協(xié)同優(yōu)化，能夠達(dá)到熱流密度≥1 kW/cm2的散熱能力，從而實(shí)現(xiàn)芯片、雷達(dá)T/R組件等高熱流器件的高效散熱。

然而，目前關(guān)于金剛石基材料在高效散熱中的研究還不夠充分，無法與大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用相匹配。針對未來提高金剛石基材料在高效散熱中的研究與應(yīng)用，提出以下展望。

（1）單晶/多晶金剛石材料與金屬材料的低熱阻耦合問題具有很大的研究空間與應(yīng)用價(jià)值，構(gòu)建單晶/多晶金剛石材料聲子傳熱與金屬材料電子傳熱之間的電聲耦合模型，可為單晶/多晶金剛石材料作為熱擴(kuò)散層這一技術(shù)路線提供更多的理論與技術(shù)支持。

（2）關(guān)注金剛石增強(qiáng)相與金屬基體之間的界面熱傳導(dǎo)機(jī)理，深化金剛石增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料在高效散熱中的應(yīng)用。通過工藝參數(shù)的調(diào)控來獲得具有不同熱導(dǎo)率、密度、熱膨脹系數(shù)的金剛石增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料還需開展系統(tǒng)的研究工作。

（3）開發(fā)針對金剛石基材料高精度高效率的加工方法，解決傳統(tǒng)加工方法中出現(xiàn)的大錐度、表面熱損傷等不利于固液傳熱的問題。例如，采用水導(dǎo)激光 + 結(jié)構(gòu)化砂輪磨削的復(fù)合工藝，提高加工效率與質(zhì)量。

（4）融合金剛石基材料的合成與加工步驟，實(shí)現(xiàn)帶有表面微通道陣列的金剛石基材料的一次成型，對未來金剛石基材料在高效散熱中的應(yīng)用具有重要意義。

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