来源 | Case Studies in Thermal Engineering

链接 | https://doi.org/10.1016/j.csite.2025.105981

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芯片 “退烧” 新突破！金刚石铜微通道技术破解近结区散热难题

在航空航天雷达的精密运作中，在卫星通信的稳定传输里，在超级计算中心的数据洪流背后，第三代半导体电子器件正扮演着核心角色。然而，这些 “算力担当” 在高负载运行时，局部热流密度可飙升至 1000W/cm²，如此惊人的热量堆积，严重威胁着设备的可靠性与使用寿命，成为制约技术突破的关键瓶颈。

传统芯片散热往往面临多层封装带来的层级热阻问题，热量从芯片核心传递到外部散热器的过程中，会因层层阻隔而效率骤降。为了从根源上解决这一问题，“近结区冷却” 概念应运而生 —— 通过将散热结构与热功能一体化设计，让散热器尽可能贴近芯片核心，直接 “近距离” 带走热量，从热源端大幅提升功率器件的整体散热能力。这一技术不仅能破解高热流密度下的散热困境，更对航空航天、高端通信等关键领域的技术升级具有重要意义。

在芯片级热管理方案中，冷却方式主要分为被动冷却与主动冷却两类。被动冷却依赖材料自身的热传导与辐射特性，散热效率有限；而主动冷却通过在芯片外部封装增加散热器，能实现更高效的热量转移，因此被广泛应用。主动冷却技术家族中，循环管散热、微通道液冷、热管冷却等方案各有所长，其中微通道液冷凭借出众的性能脱颖而出——当通入液体时，其散热能力可达到 100W/cm² 至 2000W/cm²，成为应对高热流密度的 “潜力选手”。

随着技术迭代，“结构——功能——体化” 成为微通道散热的新方向。科研人员开始探索将芯片基板与微通道散热器进行统一设计，例如有团队设计出集成在芯片内部的微针翅散热器，适配先进的 2.5D 与 3D 集成电路技术，通过逆流实现芯片层间冷却；还有研究聚焦 3D 堆叠芯片中硅通孔结构对层间微通道流动沸腾传热的影响。更前沿的 “片上微通道冷却” 技术，则直接在基板上加工微通道结构并通入液体，实现芯片级主动冷却，有团队曾在硅基氮化镓基板上直接加工微通道，通过测量压降、热阻等参数验证了其能效潜力。

不过，这些创新仍面临两大挑战：一方面，传统微通道散热器多采用铝、铜等材料，其线膨胀系数与半导体芯片（如氮化镓的线膨胀系数仅为 5.6×10⁻⁶/K）差异显著（铝为 25×10⁻⁶/K，铜为 17.9×10⁻⁶/K），封装时需引入热界面层过渡，反而增加了整体热阻；另一方面，结构与功能的一体化对器件的结构可靠性和运行稳定性提出了更高要求，普通材料难以兼顾散热性能与结构适配性。

为解决材料适配难题，热管理材料已历经四代迭代，如今第四代热管理材料——金刚石金属（铜、铝）复合材料正成为研究热点。金刚石拥有2200-2600W/mK 的超高热导率，且线膨胀系数低，与铜复合形成的金刚石铜（DC）复合材料，不仅线膨胀系数大幅降低，热导率更远超钨铜、金刚石铝等传统复合材料，完美契合第三代半导体的热管理需求。

此前，纯金刚石薄膜虽被尝试用作芯片级导热基板，但其加工性能极差，难以与微通道流动沸腾技术结合；而钼铜（MoCu）与金刚石铜（DC）材料兼具低线膨胀系数与良好加工性，为近结区微通道散热器的研发提供了新可能。

02

成果掠影

近日，有研集团有限公司有色金属与加工国家重点实验室孙明美、郭宏团队为破解高功率芯片近结区散热难题，以金刚石铜（DC）复合材料（含 DC60、DC75 两种型号）与钼铜（MoCu50）为基板，通过去离子水流动沸腾实验结合可视化技术，验证了金刚石铜材料在散热性能上的突破性优势。相较于 MoCu50 散热器，金刚石铜散热器的传热性能实现质的飞跃。其中 DC75 表现最为突出，在最高热流密度达 4012.14kW/m² 时，仍能保持散热优势，热传系数峰值达 127.48kW/(m²・K)，是 MoCu50 的三倍，且全程未出现干涸现象 —— 这意味着即使在芯片高负载运行的极端场景下，DC75 也能稳定带走热量，避免器件因局部过热失效。该研究首次将第四代热管理材料（金刚石铜）与开放式微通道流动沸腾技术结合，验证了 “材料特性 - 结构设计 - 传热机制” 协同优化的可行性。相较于传统散热器，金刚石铜微通道散热器在高热流密度适应性、运行稳定性、半导体材料兼容性上均实现突破，尤其适用于航空航天雷达、卫星通信、超级计算中心等对散热要求严苛的场景，为下一代高功率芯片热管理方案提供了关键技术支撑。研究成果以“Subcooled flow boiling in diamond/Cu microchannel heat sinks for near-junction chip cooling”为题发表在《Case Studies in Thermal Engineering》期刊。

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图文导读

图1. 低线膨胀系数（CLTE）材料微观结构的扫描电子显微镜图像：(a) 钼铜 50（MoCu50）、(b) 金刚石铜 60（DC60）、(c) 金刚石铜 75（DC75）

图2. 流动沸腾测试部件示意图

图3. 流动回路示意图

图4. 低线膨胀系数复合微通道的传热性能：(a) 沸腾曲线、(b) 传热系数曲线、(c) 传热系数随出口蒸汽干度变化曲线

图5. 金刚石铜 75（DC75）的表面成核位点：(a) 可视化图像、(b) 示意图

图6. 质量通量 G=500kg/(m²・s) 时金刚石铜 60（DC60）中的流型：(a) 泡状流、(b) 弹状流、(c) 弹状 - 分层流、(d) 分层流

图7. 质量通量 G=500kg/(m²・s) 时各散热器的流型

图8. 过冷沸腾中的气泡行为

图9. 传热系数曲线：(a) 不同入口过冷度下的金刚石铜 60（DC60）；(b) 钼铜 50（MoCu50）、(c) 金刚石铜 60（DC60）、(d) 金刚石铜 75（DC75）在不同质量通量下的曲线

图10. (a) 不同热流密度下散热器的底部温度；(b) 散热器底部的最高温度及整体温度波动幅度；(c) 散热器材料的变形量

图11. 金刚石铜 75（DC75）的压降变化