来源 | Applied Thermal Engineering

链接 | https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2025.129116

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背景介绍

SiC 器件相比 Si 器件拥有更高击穿电压、更低开关损耗、更高工作频率，但芯片小型化导致热流密度达 500 W/cm²，长期高温易引发键合线脱落、基板分层等失效。传统散热器局限：Cu（398 W/m・K）、Al（270 W/m・K）导热率不足，难以满足 SiC 散热需求。金刚石与 Cu 的原子结构、声子谱不匹配，界面热阻高，未优化时导热率远低于理论值（如商用 Ti 涂层 Diamond/Cu 仅 350 W/m・K）。金刚石的高硬度给金刚石/铜复合材料的精密加工带来了巨大的挑战。金刚石/铜复合材料的高导热性是制约其在大功率电子器件中广泛应用的主要瓶颈。

02

成果掠影

近日，华中科技大学辛国庆团队提出基于金刚石/铜复合材料的微通道散热器解决方案；通过 “W 涂层金刚石颗粒 + 真空退火” 优化界面（形成 W/WC/W₂C 过渡层），制备出导热率达807 W/m·K的 金刚石/铜基底；再通过活性金属钎焊将精密铜微通道（200 μm 宽）与基底集成，突破金刚石/铜的界面热阻和加工难两大瓶颈。测试表明，该散热器相比纯铜散热器热阻降低 39%（200 W 时达 0.035 K/W），应用于 SiC 器件时，在 200 W 功率下峰值结温降低 12.3℃，为高功率电子设备热管理提供可规模化的技术路径。研究成果“Diamond/Cu composites microchannel heat sink for effective thermal management of SiC power devices ”为题发表在《Applied Thermal Engineering》。

值得一提的是，本次研究的作者——华中科技大学辛国庆教授也将作为第六届热管理产业大会暨博览会报告嘉宾出席分享《功率电子器件先进封装材料》的大会报告。

基于SiC/GaN宽禁带半导体材料的电力电子器件正在崛起，与硅基功率器件相比，这类电力电子器件具有耐高温、耐高压、可高频工作，集成度更高等特点。现有的基于硅基半导体的传统模块封装材料已经无法满足SiC/GaN功率器件，在耐温性、导热/散热性能、界面结合强度、机械强度等方面都面临着挑战，因此亟需发展适用于SiC/GaN器件的先进封装材料与技术。本次报告主要介绍面向宽禁带功率电子器件的关键封装材料，包括耐高温绝缘材料、纳米金属互联材料、高导热/低CTE热沉材料、轻质复合散热材料等。

大会时间：2025年12月3–5日
大会地点：深圳国际会展中心宝安（10号馆）

03

图文导读

图1.金刚石/Cu基板微通道板的制造工艺示意图。（a）三步制造方案，包括混合W涂层金刚石和Cu粉末、真空热压和活性金属钎焊;（b）用于真空热压的温度-压力曲线;（c）在与AgCuTi的活性金属钎焊期间应用的加热曲线。

图2.有和没有W涂层的金刚石颗粒的SEM图像和EDS元素图，XRD和XPS分析。（a）原始金刚石颗粒的表面形态，（b）W涂层金刚石颗粒的表面形态，（c）W涂层的高度放大图像;（d）W包覆金刚石颗粒放大区域的EDS分析，（e，f）W（e）和C（f）的EDS绘图分布。（g）退火前后W包覆金刚石的XRD图案，（h）W 4f的XPS谱。

图3.真空热压烧结制备的金刚石/Cu复合材料在不同放大倍数下的断裂形貌。（a）金刚石/Cu板的横截面图。（b）金刚石颗粒紧密嵌入Cu中的放大图，没有针孔。

图4.金刚石/铜复合材料的热性能。（a）不同金刚石体积分数的金刚石/铜复合材料的热导率和相对密度;（b）金刚石/铜基板和电镀镍处理的铜基板的照片;（c）不同基板表面的红外热像;（d）两种基板的平均表面温度随时间的变化;（e）240 s时沿基板长轴中心线的沿着温度分布。

图5.微通道陶瓷的热阻测量。（a）金刚石/Cu陶瓷的照片和X射线透射图像;（b）微通道陶瓷热阻测量装置的示意图;（c）陶瓷表面温升的比较;（d）热阻的比较。

图6.与金刚石/Cu复合材料集成的SiC功率器件的热性能评估图。（a）使用纳米银浆料烧结到金刚石/Cu复合材料上的SiC MOSFET芯片的照片;（b）芯片烧结后的X射线图像;（c）完全组装的SiC功率器件封装的照片;（d）使用金刚石/Cu复合材料的功率器件的模拟温度分布;（e）使用常规Cu散热器的功率器件的模拟温度分布;（f）电极布局和引线键合配置的示意图;（g）在相同操作条件下使用不同散热器的功率器件的红外热图像;（h）对于不同散热材料，功率器件的结温随时间的变化。