界面裂紋對周期性擴張金剛石 / 氮化鎵復合微通道散熱器熱傳遞的影響

論文信息：

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

論文鏈接：

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發展，在高頻、高功率、高溫條件下運行的電子設備的發熱量穩步增加。因此，加強熱管理對于保障器件可靠性至關重要。傳統的微通道優化策略主要集中在幾何結構改進以強化傳熱。如圖 1 所示（圖 1 為微通道散熱器的研究現狀，展示了 2014-2025 年間不同學者的相關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。盡管存在豐富的強化策略，但對熱應力引起的界面缺陷及其對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狀

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

圖 2. 熱應力分析的文獻綜述

其他研究考察了復合材料中的熱膨脹系數兼容性，如圖 3 所示（圖 3 為不同基底的熱應力分析，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力相關研究）。

此外，關于熱失效機制的研究較少，且通常集中在特定材料系統或單一結構上，對高熱通量下 GaN - 金剛石復合微通道中的流 - 固耦合作用以及界面裂紋缺陷與熱性能之間的定量關系探索有限。

圖 3. 不同基底的熱應力分析

綜上所述，盡管在傳熱強化和熱應力分析方面取得了顯著進展，但對界面微裂紋（由這些現象耦合產生）抑制傳熱的定量評估仍不夠充分。本研究的主要貢獻如下：（1）開發了一種耦合計算流體力學（CFD）- 有限元結構分析方法，考慮了高溫界面失效、流動誘導的局部湍流 / 渦旋等效應，構建了金剛石 - GaN 復合微通道的多物理場模型。（2）將裂紋尺寸、數量和分布參數整合到模型中，隨后通過 CFD 仿真系統量化了它們對總熱阻、局部熱點溫度和器件可靠性的影響。（3）提出了一種通過幾何擾動誘導二次流的新型翅片排列方案，實現了傳熱強化和界面應力緩解的雙重效果。（4）所提出的周期性隆起型微通道結構在無界面失效的情況下，熱通量承載能力高達 10kW/cm2。

Part.2

研究內容

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

圖 4. GaN 器件結構示意圖

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

圖 5. 金剛石 - GaN 復合微通道散熱器結構示意圖

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

圖 6. 網格獨立性驗證（熱點溫度（Thp）、平均熱點溫度（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（heff））

為驗證數值模型，圖 7 將本研究的仿真結果與文獻中的基準數據進行了對比。兩種情況下的良好一致性證實了仿真方法的可靠性。

圖 7. 仿真與實驗驗證

圖 8 為不同微通道基底的傳熱性能差異對比圖（圖 8 包含（a）（b）（c）（d）四部分，分別展示了不同基底的熱點溫度、溫度均勻性、傳熱系數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比

圖 9 為穩態熱模型流 - 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荷下的穩態溫度場分布）。圖 9 呈現了在相同微翅片熱負荷下，碳（C）、硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化鋁（AlN）基底的穩態溫度場。

圖 9. 穩態熱模型流 - 熱耦合分析

圖 10 為流 - 熱 - 固多物理場耦合應力 - 應變分析圖（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、應變和應力情況，基底包括硅、碳化硅、氮化鋁和金剛石 - GaN 復合基底）。

圖 10. 流 - 熱 - 固多物理場耦合應力 - 應變分析（含續圖）

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應的熱點溫度變化）。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溫度場的影響。

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溫度等溫度參數、溫度均勻性、熱阻分解、傳熱系數與壓降以及綜合性能因子和熵產的變化情況）。

圖 12. 界面裂紋尺寸對傳熱的影響

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

圖 13. 變截面微通道中誘導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溫度等溫度參數、溫度均勻性、熱阻、傳熱系數與壓降以及綜合性能因子和熵產的變化情況）。圖 15 詳細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比

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

圖 16. 界面裂紋數量對溫度分布的影響

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

圖 17. 界面裂紋數量對散熱性能的影響

圖 18 為微通道內的軸向溫度變化圖（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、不同裂紋數量下沿 x 軸和 y 軸的溫度分布情況）。

圖 18. 微通道內的軸向溫度變化

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）傳遞時遇到的阻力。其物理根源主要在于所涉及材料的晶體結構和導熱率差異，導致熱量在跨界面傳遞時發生聲子散射、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、不同裂紋數量以及不同基底材料對應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結果的性能對比圖（圖 20 展示了本研究的金剛石基底微通道散熱器與其他學者研究的散熱性能對比，突出了本研究在熱通量移除能力上的優勢）。如圖 20 所示，本研究開發的無裂紋 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實的技術基礎。

圖 20. 金剛石基底微通道散熱器與先前文獻結果的性能對比

Part.3

研究總結

本研究提出并數值分析了金剛石 - GaN 復合微通道冷卻結構，以應對超高熱通量下 GaN 功率器件的熱管理挑戰。研究評估了裂紋尺寸、間距和數量對傳熱效率與熱應力的影響，設計的變截面周期性隆起微通道及圓柱形針翅結構可通過誘導二次流強化局部傳熱。結果表明，該復合微通道在 10kW/cm2 熱通量下能實現 356.2K 的低熱點溫度和 5.5% 的溫度均勻性，熱應力顯著低于硅、碳化硅和氮化鋁基底，且界面熱邊界阻較低；裂紋會通過增加熱阻、破壞溫度場對稱性等削弱傳熱性能，其中超過 5 條裂紋或 250μm 以下裂紋間距會導致性能顯著惡化。該結構可實現無界面失效的穩定冷卻，為大功率電子器件熱管理提供了有效方案，未來需進一步優化材料匹配性以減少裂紋形成并提升長期可靠性。

Interfacial crack influence on heat transfer in periodically bulged diamond GaN composite microchannel heat sinks.pdf

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