来源 | Journal of Laser Applications

链接 | https://doi.org/10.2351/7.0002056

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背景

随着第三代半导体（如SiC、GaN）在新能源汽车、5G基站、高速铁路等领域的应用，芯片功率密度急剧上升，传统散热方式（自然对流、风冷、常规液冷）已难以满足需求。微流体冷却因其高比表面积、高热交换效率（可达10,000–25,000 W/(m²·K)）而成为极具潜力的片上散热方案。金刚石具有超高热导率（1000–2200 W/(m·K)），是理想的散热衬底。然而金刚石硬度极高，传统机械加工困难。激光加工具有非接触、无应力、无工具磨损等优点，是金刚石微结构加工的重要手段。现有研究多采用纳秒激光或仅制备浅微槽（深度<200 μm），深微通道的加工仍存在侧壁锥度大、石墨化严重、底面粗糙度高等问题。

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成果掠影

近日，哈尔滨工业大学的李俐群团队系统探索了利用红外皮秒激光在多晶金刚石上直接加工高深宽比微通道散热组件的工艺，并成功制备出完整的金刚石微通道散热器原型。采用红外皮秒激光对多晶金刚石开展微加工研究，系统探究单脉冲能量、扫描速度、重复频率等工艺参数对金刚石石墨化程度、微通道尺寸与侧壁锥度的调控规律，通过参数优化抑制石墨化，成功制备出深 800μm、宽 200μm、深宽比 4:1、侧壁锥度 0.9°的高性能微通道；采用交叉扫描策略（20μm 扫描间距）获得底面粗糙度Sa 1.13μm的集水槽，最终完成包含通孔、微通道阵列、集水槽的完整金刚石散热微通道组件制备，系统解决了皮秒激光加工金刚石微通道中的石墨化控制、侧壁锥度抑制、底面粗糙度优化等关键工艺问题，实现了深宽比4:1、侧壁锥度小于1°的高质量微通道加工，为金刚石在高功率芯片嵌入式液冷散热中的应用提供了可行的制造路径。研究成果以“Direct preparation of diamond heat dissipation microchannel assemblies by picosecond laser” 为题，发表于《Journal of Laser Applications 》期刊。

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图文导读

图1 实验系统的示意图。

图2 典型热微通道组件示意图。

图3 由不同单脉冲能量形成的微槽的SEM图像：（a）10，（b）50，（c）100，（d）200，（e）300，（f）500μJ，具有（g）横截面轮廓曲线和（h）拉曼光谱。

图4 在不同扫描速度下形成的微槽的SEM图像：（a）0.5，（b）2，（c）10，（d）50，（e）100，（f）200 mm/s，具有（g）三维形态和（h）拉曼光谱。

图5 在不同重复频率下形成的微槽的SEM图像：（a）20 kHz，（b）50 kHz，（c）100 kHz，（d）1 MHz，具有（e）三维形态和（f）拉曼光谱。

图6 激光与金刚石相互作用示意图。

图7 具有（a）和（b）不同处理层和扫描间距的微通道的横截面形态，以及（c）和（d）它们的尺寸统计，以及（e）优化的微通道。

图8 不同扫描策略和扫描间距下底面的三维形态。

图9 不同扫描策略和扫描间距下底面粗糙度的统计分析。

图10 微通道散热组件整体形态示意图（a）；通孔（b）、微通道阵列（c）和沟槽（d2）的光学显微镜图像；沟槽的三维形态（d1）。