近日，有研集團(tuán)有限公司有色金屬與加工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫明美、郭宏團(tuán)隊(duì)以DC、鉬銅等低線性膨脹材料為基材，創(chuàng)新性地制作了三種結(jié)構(gòu)功能一體化開(kāi)放式微通道熱沉（DC60、DC75、MoCu50），以去離子水為操作流體進(jìn)行流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)，結(jié)合可視化技術(shù)研究其傳熱特性。結(jié)果表明，沸騰過(guò)程中，在高熱導(dǎo)率網(wǎng)絡(luò)的影響下，金剛石/Cu微通道表面比MoCu50微通道具有更多的成核位點(diǎn)，使得成核沸騰成為相變傳熱過(guò)程的主導(dǎo)，大大提高了傳熱效率。 DC75在最高熱流密度q" = 4012.14 kW/m 時(shí)仍保持絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，與MoCu50相比，DC75傳熱系數(shù)提高了3倍，峰值為127.48 kW/m K，且未出現(xiàn)干涸現(xiàn)象，底部溫度最低，變形量最小，熱穩(wěn)定性強(qiáng)。在段塞流向分層流轉(zhuǎn)變過(guò)程中，出現(xiàn)了段塞流-分層流的協(xié)同作用，兩種流型共存導(dǎo)致壓降只有小規(guī)模波動(dòng)，最大壓降不超過(guò)3.5 kPa。研究成果以“Subcooled flow boiling in diamond/Cu microchannel heat sinks for near-junction chip cooling”為題發(fā)表在《Case Studies in Thermal Engineering》期刊。

       據(jù)悉，熱量的積累對(duì)設(shè)備的可靠性和使用壽命構(gòu)成了重大威脅，高功率芯片的熱管理問(wèn)題日益突出。芯片級(jí)微通道冷卻已經(jīng)受到了廣泛的研究關(guān)注，結(jié)構(gòu)和功能的集成設(shè)計(jì)可以減少芯片封裝的熱阻并加速散熱，然而，這也對(duì)結(jié)構(gòu)的可靠性和運(yùn)行穩(wěn)定性提出了更高的要求。大多數(shù)微通道散熱器由鋁/銅制成，與半導(dǎo)體芯片的熱膨脹系數(shù)有顯著差異。因此，在芯片封裝過(guò)程中需要引入熱界面層（熱基板）以便于過(guò)渡，這一要求可能導(dǎo)致芯片封裝內(nèi)整體熱阻的增加。相比之下，用于熱管理的金屬基復(fù)合材料可以更好地與第三代半導(dǎo)體材料匹配，提供更好的熱管理性能。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了四代熱管理材料，從合金發(fā)展到金屬?gòu)?fù)合材料，再到鋁基復(fù)合材料，第四代由金剛石和金屬的復(fù)合材料代表。金剛石具有卓越的熱導(dǎo)率，從2200W/mK到2600W/mK，并且具有低熱膨脹系數(shù)。通過(guò)將其與高熱導(dǎo)率金屬Cu結(jié)合，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出用于熱管理的金剛石/銅復(fù)合材料（DC），具有降低的熱膨脹系數(shù)和優(yōu)越的熱導(dǎo)率。具有低線性熱膨脹系數(shù)和高熱導(dǎo)率的熱管理材料可以實(shí)現(xiàn)芯片的“近結(jié)冷卻”，而最新一代金剛石/銅（DC）復(fù)合材料在微通道相變散熱中的應(yīng)用研究有限。