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Ci Ao , Bo Xu , Zhenqian Chen,Interfacial crack influence on heat transfer in periodically bulged diamond/ GaN composite microchannel heat sinks.Diamond & Related Materials 162 (2026) 113237

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https://doi.org/10.1016/j.diamond.2025.113237

Part.1

研究背景

隨著微電子和大功率器件的持續(xù)發(fā)展，在高頻、高功率、高溫條件下運(yùn)行的電子設(shè)備的發(fā)熱量穩(wěn)步增加。因此，加強(qiáng)熱管理對(duì)于保障器件可靠性至關(guān)重要。傳統(tǒng)的微通道優(yōu)化策略主要集中在幾何結(jié)構(gòu)改進(jìn)以強(qiáng)化傳熱。如圖 1 所示（圖 1 為微通道散熱器的研究現(xiàn)狀，展示了 2014-2025 年間不同學(xué)者的相關(guān)研究研究人員已研究了矩形、波浪形和橢圓形等通道幾何形狀。盡管存在豐富的強(qiáng)化策略，但對(duì)熱應(yīng)力引起的界面缺陷及其對(duì)熱性能的惡化影響的定量分析仍不夠充分。

圖 1. 微通道散熱器的研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，微通道冷卻中的熱應(yīng)力分析已開(kāi)展了大量研究，如圖 2 所示（圖 2 為熱應(yīng)力分析的文獻(xiàn)綜述，呈現(xiàn)了 2021-2025 年間 TSV 在 3D 芯片中的應(yīng)用、微通道封裝、沉浸式冷卻等相關(guān)研究方向）。

圖 2. 熱應(yīng)力分析的文獻(xiàn)綜述

其他研究考察了復(fù)合材料中的熱膨脹系數(shù)兼容性，如圖 3 所示（圖 3 為不同基底的熱應(yīng)力分析，展示了 2014-2025 年間陶瓷基底、金剛石 / 氮化鋁基底、銅 / 鋁 / 鋼鈦基底等不同基底的熱應(yīng)力相關(guān)研究）。

此外，關(guān)于熱失效機(jī)制的研究較少，且通常集中在特定材料系統(tǒng)或單一結(jié)構(gòu)上，對(duì)高熱通量下 GaN - 金剛石復(fù)合微通道中的流 - 固耦合作用以及界面裂紋缺陷與熱性能之間的定量關(guān)系探索有限。

圖 3. 不同基底的熱應(yīng)力分析

綜上所述，盡管在傳熱強(qiáng)化和熱應(yīng)力分析方面取得了顯著進(jìn)展，但對(duì)界面微裂紋（由這些現(xiàn)象耦合產(chǎn)生）抑制傳熱的定量評(píng)估仍不夠充分。本研究的主要貢獻(xiàn)如下：（1）開(kāi)發(fā)了一種耦合計(jì)算流體力學(xué)（CFD）- 有限元結(jié)構(gòu)分析方法，考慮了高溫界面失效、流動(dòng)誘導(dǎo)的局部湍流 / 渦旋等效應(yīng)，構(gòu)建了金剛石 - GaN 復(fù)合微通道的多物理場(chǎng)模型。（2）將裂紋尺寸、數(shù)量和分布參數(shù)整合到模型中，隨后通過(guò) CFD 仿真系統(tǒng)量化了它們對(duì)總熱阻、局部熱點(diǎn)溫度和器件可靠性的影響。（3）提出了一種通過(guò)幾何擾動(dòng)誘導(dǎo)二次流的新型翅片排列方案，實(shí)現(xiàn)了傳熱強(qiáng)化和界面應(yīng)力緩解的雙重效果。（4）所提出的周期性隆起型微通道結(jié)構(gòu)在無(wú)界面失效的情況下，熱通量承載能力高達(dá) 10kW/cm2。

Part.2

研究?jī)?nèi)容

圖 4 展示了 GaN 器件結(jié)構(gòu)示意圖（圖 4 中包含柵極、源極、漏極、AlGaN 層、2DEG、GaN 層和微通道等結(jié)構(gòu)），該圖呈現(xiàn)了用于 GaN 功率器件近結(jié)冷卻的微通道布局。微通道熱管理的主要目標(biāo)是散發(fā) GaN 功率器件中這種 2DEG 產(chǎn)生的高熱通量。

圖 4. GaN 器件結(jié)構(gòu)示意圖

為解決 GaN 功率器件的高熱通量挑戰(zhàn)，本研究采用了具有超高導(dǎo)熱率的金剛石微通道。圖 5 描繪了新設(shè)計(jì)的變截面周期性隆起型微通道散熱器（MHS）的示意圖（圖 5 包含三組不同的結(jié)構(gòu)方案：Group A 包含 Case1-Case5，展示了不同裂紋寬度和厚度的結(jié)構(gòu)；Group B 包含 Case6-Case10，呈現(xiàn)了不同裂紋間距的設(shè)計(jì)；Group C 包含 Case11-Case14，為不同裂紋數(shù)量的結(jié)構(gòu)，通道尺寸為 1000μm×1000μm×110μm，熱點(diǎn)區(qū)域 200μm×200μm 內(nèi)布置了 100 個(gè)圓柱形微翅片陣列，每個(gè)翅片直徑 8μm、間距 20μm、高度 90μm）。

圖 5. 金剛石 - GaN 復(fù)合微通道散熱器結(jié)構(gòu)示意圖

圖 6 為網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證圖（圖 6 包含（a）（b）兩部分，分別展示了不同網(wǎng)格數(shù)量下熱點(diǎn)溫度、平均熱點(diǎn)溫度等溫度參數(shù)以及壓力降、有效傳熱系數(shù)等性能參數(shù)的變化，網(wǎng)格數(shù)量范圍為 1,870,679 至 3,096,478，最大偏差分別為 0.92%、11.31% 和 5.56%）。

圖 6. 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證（熱點(diǎn)溫度（Thp）、平均熱點(diǎn)溫度（Tav）、GaN 層溫度（TGaN）、金剛石微通道溫度（Tc）、冷卻劑溫度（Tf）、出口溫度（Tout）、最大溫差（θTmax）、最大壓差（θp）、壓降（ΔP）和有效傳熱系數(shù)（heff））

為驗(yàn)證數(shù)值模型，圖 7 將本研究的仿真結(jié)果與文獻(xiàn)中的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。兩種情況下的良好一致性證實(shí)了仿真方法的可靠性。

圖 7. 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖 8 為不同微通道基底的傳熱性能差異對(duì)比圖（圖 8 包含（a）（b）（c）（d）四部分，分別展示了不同基底的熱點(diǎn)溫度、溫度均勻性、傳熱系數(shù)與壓降以及熱阻情況，基底包括金剛石、硅、碳化硅和氮化鋁）。圖 8 展示了不同基底制造的微通道在無(wú)界面缺陷情況下的性能差異。

圖 8. 不同微通道基底的傳熱性能差異對(duì)比

圖 9 為穩(wěn)態(tài)熱模型流 - 熱耦合分析圖（圖 9 展示了金剛石、硅、碳化硅和氮化鋁四種基底在相同微翅片熱負(fù)荷下的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布）。圖 9 呈現(xiàn)了在相同微翅片熱負(fù)荷下，碳（C）、硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化鋁（AlN）基底的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。

圖 9. 穩(wěn)態(tài)熱模型流 - 熱耦合分析

圖 10 為流 - 熱 - 固多物理場(chǎng)耦合應(yīng)力 - 應(yīng)變分析圖（圖 10 包含（a）（b）（c）三部分，分別展示了不同基底微通道的變形、應(yīng)變和應(yīng)力情況，基底包括硅、碳化硅、氮化鋁和金剛石 - GaN 復(fù)合基底）。

圖 10. 流 - 熱 - 固多物理場(chǎng)耦合應(yīng)力 - 應(yīng)變分析（含續(xù)圖）

圖 11 為不同裂紋下的溫度分布云圖（圖 11 展示了 Group A 中 Case1-Case5 不同缺陷布局在界面裂紋面積相等條件下的溫度分布情況，包含不同裂紋寬度和厚度對(duì)應(yīng)的熱點(diǎn)溫度變化）。圖 11 展示了 A 組中不同缺陷布局在界面裂紋面積相等的條件下對(duì)溫度場(chǎng)的影響。

圖 11. 不同裂紋下的溫度分布云圖

圖 12 為界面裂紋尺寸對(duì)傳熱的影響圖（圖 12 包含（a）（b）（c）（d）（e）五部分，分別展示了不同裂紋尺寸下熱點(diǎn)溫度等溫度參數(shù)、溫度均勻性、熱阻分解、傳熱系數(shù)與壓降以及綜合性能因子和熵產(chǎn)的變化情況）。

圖 12. 界面裂紋尺寸對(duì)傳熱的影響

圖 13 為變截面微通道中誘導(dǎo)的二次流速度分布云圖（圖 13 包含（a）（b）兩部分，（a）展示了流場(chǎng)分布，（b）呈現(xiàn)了軸向速度剖面）。

圖 13. 變截面微通道中誘導(dǎo)的二次流速度分布云圖

圖 14 為不同裂紋間距的溫度分布圖（圖 14 展示了 Group B 中 Case6-Case10 不同裂紋間距下的溫度分布情況，裂紋間距分別為 250、300、350、400、450μm）。

圖 14. 不同裂紋間距的溫度分布

圖 15 為不同裂紋間距下的傳熱性能對(duì)比圖（圖 15 包含（a）（b）（c）（d）（e）五部分，分別展示了不同裂紋間距下熱點(diǎn)溫度等溫度參數(shù)、溫度均勻性、熱阻、傳熱系數(shù)與壓降以及綜合性能因子和熵產(chǎn)的變化情況）。圖 15 詳細(xì)分析了不同裂紋間距下的傳熱性能。

圖 15. 不同裂紋間距下的傳熱性能對(duì)比

圖 16 為界面裂紋數(shù)量對(duì)溫度分布的影響圖（圖 16 展示了 Group C 中 Case11-Case14 不同裂紋數(shù)量下的溫度分布情況，裂紋數(shù)量分別為 1、3、5、8 條）。圖 16 說(shuō)明了不同界面裂紋數(shù)量（N=1、3、5、8）對(duì)溫度分布的影響。

圖 16. 界面裂紋數(shù)量對(duì)溫度分布的影響

圖 17 為界面裂紋數(shù)量對(duì)散熱性能的影響圖（圖 17 包含（a）（b）（c）（d）（e）五部分，分別展示了不同裂紋數(shù)量下熱點(diǎn)溫度等溫度參數(shù)、溫度均勻性、熱阻、傳熱系數(shù)與壓降以及綜合性能因子和熵產(chǎn)的變化情況）。圖 17 考察了裂紋數(shù)量對(duì)熱性能的影響。

圖 17. 界面裂紋數(shù)量對(duì)散熱性能的影響

圖 18 為微通道內(nèi)的軸向溫度變化圖（圖 18 包含（a）（b）（c）（d）（e）（f）六部分，分別展示了不同裂紋厚度、不同裂紋間距、不同裂紋數(shù)量下沿 x 軸和 y 軸的溫度分布情況）。

圖 18. 微通道內(nèi)的軸向溫度變化

熱邊界阻（TBR）是指熱量在不同材料界面（例如氮化鎵和金剛石之間）傳遞時(shí)遇到的阻力。其物理根源主要在于所涉及材料的晶體結(jié)構(gòu)和導(dǎo)熱率差異，導(dǎo)致熱量在跨界面?zhèn)鬟f時(shí)發(fā)生聲子散射、反射或傳輸效率降低，從而引入額外的熱阻。圖 19 為所有情況下的熱邊界阻（TBR）分析圖（圖 19 包含（a）（b）（c）（d）四部分，分別展示了不同裂紋尺寸、不同裂紋間距、不同裂紋數(shù)量以及不同基底材料對(duì)應(yīng)的熱邊界阻變化情況）。圖 19 分析了不同裂紋和基底材料的熱邊界阻。

圖 19. 所有情況下的熱邊界阻（TBR）分析

圖 20 為金剛石基底微通道散熱器與先前文獻(xiàn)結(jié)果的性能對(duì)比圖（圖 20 展示了本研究的金剛石基底微通道散熱器與其他學(xué)者研究的散熱性能對(duì)比，突出了本研究在熱通量移除能力上的優(yōu)勢(shì)）。如圖 20 所示，本研究開(kāi)發(fā)的無(wú)裂紋 Case1 金剛石基微通道散熱器在熱性能方面取得了突破性提升。因此，無(wú)裂紋 Case1 金剛石微通道散熱器不僅重新定義了微通道冷卻技術(shù)的熱通量密度極限，還為大功率電子器件的熱管理奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

圖 20. 金剛石基底微通道散熱器與先前文獻(xiàn)結(jié)果的性能對(duì)比

Part.3

研究總結(jié)

本研究提出并數(shù)值分析了金剛石 - GaN 復(fù)合微通道冷卻結(jié)構(gòu)，以應(yīng)對(duì)超高熱通量下 GaN 功率器件的熱管理挑戰(zhàn)。研究評(píng)估了裂紋尺寸、間距和數(shù)量對(duì)傳熱效率與熱應(yīng)力的影響，設(shè)計(jì)的變截面周期性隆起微通道及圓柱形針翅結(jié)構(gòu)可通過(guò)誘導(dǎo)二次流強(qiáng)化局部傳熱。結(jié)果表明，該復(fù)合微通道在 10kW/cm2 熱通量下能實(shí)現(xiàn) 356.2K 的低熱點(diǎn)溫度和 5.5% 的溫度均勻性，熱應(yīng)力顯著低于硅、碳化硅和氮化鋁基底，且界面熱邊界阻較低；裂紋會(huì)通過(guò)增加熱阻、破壞溫度場(chǎng)對(duì)稱性等削弱傳熱性能，其中超過(guò) 5 條裂紋或 250μm 以下裂紋間距會(huì)導(dǎo)致性能顯著惡化。該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)無(wú)界面失效的穩(wěn)定冷卻，為大功率電子器件熱管理提供了有效方案，未來(lái)需進(jìn)一步優(yōu)化材料匹配性以減少裂紋形成并提升長(zhǎng)期可靠性。

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