近日，有研集團有限公司有色金屬與加工國家重點實驗室孫明美、郭宏團隊以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構功能一體化開放式微通道熱沉（DC60、DC75、MoCu50），以去離子水為操作流體進行流動沸騰實驗，結合可視化技術研究其傳熱特性。結果表明，沸騰過程中，在高熱導率網(wǎng)絡的影響下，金剛石/Cu微通道表面比MoCu50微通道具有更多的成核位點，使得成核沸騰成為相變傳熱過程的主導，大大提高了傳熱效率。 DC75在最高熱流密度q" = 4012.14 kW/m 時仍保持絕對優(yōu)勢，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。在段塞流向分層流轉變過程中，出現(xiàn)了段塞流-分層流的協(xié)同作用，兩種流型共存導致壓降只有小規(guī)模波動，最大壓降不超過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，熱量的積累對設備的可靠性和使用壽命構成了重大威脅，高功率芯片的熱管理問題日益突出。芯片級微通道冷卻已經(jīng)受到了廣泛的研究關注，結構和功能的集成設計可以減少芯片封裝的熱阻并加速散熱，然而，這也對結構的可靠性和運行穩(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，與半導體芯片的熱膨脹系數(shù)有顯著差異。因此，在芯片封裝過程中需要引入熱界面層（熱基板）以便于過渡，這一要求可能導致芯片封裝內整體熱阻的增加。相比之下，用于熱管理的金屬基復合材料可以更好地與第三代半導體材料匹配，提供更好的熱管理性能。目前已經(jīng)開發(fā)了四代熱管理材料，從合金發(fā)展到金屬復合材料，再到鋁基復合材料，第四代由金剛石和金屬的復合材料代表。金剛石具有卓越的熱導率，從2200W/mK到2600W/mK，并且具有低熱膨脹系數(shù)。通過將其與高熱導率金屬Cu結合，已經(jīng)開發(fā)出用于熱管理的金剛石/銅復合材料（DC），具有降低的熱膨脹系數(shù)和優(yōu)越的熱導率。具有低線性熱膨脹系數(shù)和高熱導率的熱管理材料可以實現(xiàn)芯片的“近結冷卻”，而最新一代金剛石/銅（DC）復合材料在微通道相變散熱中的應用研究有限。