来源：International Journal of Heat and Mass Transfer

链接：https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.127836

01 背景介绍

随着人工智能技术发展，集成电路特征尺寸不断微型化、集成密度持续提升，导致器件级热流密度大幅增加，目前电子芯片热流密度已达约 1000 W/cm²，局部热点甚至超过数千 W/cm²。若热量无法有效散出，会导致器件温度升高、性能下降、稳定性与可靠性受损，极端情况下引发失效或热烧毁。微通道散热器因高热效率、结构紧凑、易系统集成成为热门技术，但需解决几何构型导致的压降升高、高温下表面特性难维持等问题。金刚石凭借极高热导率（1000-2200 W/(m・K)）、高熔点、电绝缘性，AlN 衬底凭借导热性与热膨胀系数优势，Pt 薄膜凭借 “加热 - 测温” 双功能，成为优化微通道冷却系统的关键材料，旨在开发基于 CVD-DMCs 的异质材料集成冷却方案，解决高热流热管理难题。

02 成果掠影

近日，南京理工大学胡定华联合中国工程物理研究院微系统与太赫兹研究中心Quanfeng Zhou团队，提出了一种基于化学气相沉积金刚石微通道的异质材料集成冷却方案（CVD-DMCs），并通过模拟和实验相结合的方法系统地研究了其在超高热流条件下的传热性能。对矩形、圆形和菱形等不同肋结构进行了对比模拟分析，确定菱形肋为最佳肋结构，肋深（D）和肋宽（W）为关键几何参数，并制作了一种大面积双多点小面积Pt膜非均匀多热源测试芯片，通过AuSn共晶键合，到安装在AlN衬底上的飞秒激光加工的CVD-DMC结构上，形成完整的测试模型。在144 mL/min流速，1100 W/cm²热通量的极端条件下的实验结果（双大面积）和11000 W/cm²（多点小区域）证明了D为0.5 mm的菱形肋结构，在本研究所研究的结构中，0.15 mm的W获得了最佳的冷却性能。将模具温度降低到108 ℃，压力降（ΔP）进一步的分析表明，优化肋宽比肋深更能有效地强化换热，同时减小流动阻力。验证了多点小面积集成芯片级局部加热和温度测量的可行性和准确性，揭示了CVD-DMC肋结构对热性能的关键影响，提出了一种适用于高热流密度电子器件的高效集成冷却设计方案。研究成果“Experimental and numerical study of CVD diamond microchannel cooling for high heat flux heterogeneous material-integrated dies”为题发表在《International Journal of Heat and Mass Transfer》

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