來源：International Journal of Heat and Mass Transfer

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

01 背景介紹

隨著人工智能技術發展，集成電路特征尺寸不斷微型化、集成密度持續提升，導致器件級熱流密度大幅增加，目前電子芯片熱流密度已達約 1000 W/cm2，局部熱點甚至超過數千 W/cm2。若熱量無法有效散出，會導致器件溫度升高、性能下降、穩定性與可靠性受損，極端情況下引發失效或熱燒毀。微通道散熱器因高熱效率、結構緊湊、易系統集成成為熱門技術，但需解決幾何構型導致的壓降升高、高溫下表面特性難維持等問題。金剛石憑借極高熱導率（1000-2200 W/(m?K)）、高熔點、電絕緣性，AlN 襯底憑借導熱性與熱膨脹系數優勢，Pt 薄膜憑借 “加熱 - 測溫” 雙功能，成為優化微通道冷卻系統的關鍵材料，旨在開發基于 CVD-DMCs 的異質材料集成冷卻方案，解決高熱流熱管理難題。

02 成果掠影

近日，南京理工大學胡定華聯合中國工程物理研究院微系統與太赫茲研究中心Quanfeng Zhou團隊，提出了一種基于化學氣相沉積金剛石微通道的異質材料集成冷卻方案（CVD-DMCs），并通過模擬和實驗相結合的方法系統地研究了其在超高熱流條件下的傳熱性能。對矩形、圓形和菱形等不同肋結構進行了對比模擬分析，確定菱形肋為最佳肋結構，肋深（D）和肋寬（W）為關鍵幾何參數，并制作了一種大面積雙多點小面積Pt膜非均勻多熱源測試芯片，通過AuSn共晶鍵合，到安裝在AlN襯底上的飛秒激光加工的CVD-DMC結構上，形成完整的測試模型。在144 mL/min流速，1100 W/cm2熱通量的極端條件下的實驗結果（雙大面積）和11000 W/cm2（多點小區域）證明了D為0.5 mm的菱形肋結構，在本研究所研究的結構中，0.15 mm的W獲得了最佳的冷卻性能。將模具溫度降低到108 ℃，壓力降（ΔP）進一步的分析表明，優化肋寬比肋深更能有效地強化換熱，同時減小流動阻力。驗證了多點小面積集成芯片級局部加熱和溫度測量的可行性和準確性，揭示了CVD-DMC肋結構對熱性能的關鍵影響，提出了一種適用于高熱流密度電子器件的高效集成冷卻設計方案。研究成果“Experimental and numerical study of CVD diamond microchannel cooling for high heat flux heterogeneous material-integrated dies”為題發表在《International Journal of Heat and Mass Transfer》

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