功率器件热点定向散热：单晶金刚石-多晶金刚石热沉片复合微通道热沉

近期，国内研究团队报道了一种基于金刚石单晶-多晶金刚石热沉片的复合微通道热沉（SP-HMC），超高热导率单晶金刚石和高导热多晶金刚石分别用于热点处高热流密度区域及热点以外的低热流密度区域散热，这一研究将解决器件表面的热源分布不均匀以及“热点”问题。

受限于传统Si(148W/m·K)、Cu(400W/m·K)、Al(237W/m·K)等热沉材料较低的热导率，将其作为微通道热沉基板时散热性能有限。而单晶金刚石具有众多优异的性质，如极高的硬度、红外到紫外高的光学透过性、室温下超高热导率、高载流子迁移率和禁带宽度等，可广泛应用于机械加工、光学窗口、电子器件以及散热应用等。但由于衬底尺寸限制，同质外延单晶金刚石尺寸一般不超过10mm×10mm。顺利获得异质外延和马赛克拼接等虽然能够制备更大尺寸的单晶金刚石，但制备工艺较为复杂，现阶段难以实现广泛应用，尺寸是限制金刚石材料大规模应用的关键问题之一。

然而，金刚石热沉片具有很大的开展前景，其室温热导率高达2400W/(m·K)。根据制备工艺与品质的不同，多晶金刚石热导率大约在1000~2200 W/(m·K)范围内，同时4英寸以上的多晶金刚石已经成功制备。由于金刚石单晶和多晶热导率都远远高于铜、铝等一般的散热材料，因此将这两者结合能够克服金刚石尺寸限制，同时有望解决大尺寸功率器件“热点”定向散热问题。

图 1 几何示意图. （a）SP-HMC热沉;（b）微通道几何尺寸;（c）单晶和多晶金刚石以及热点尺寸

 SP-HMC热沉几何模型如图1所示，复合热沉片中心为高热导率的单晶金刚石，对应功率器件高热流密度区域，即“热点”区域，其余部分为热导率相对较低的多晶金刚石，对应功率器件热流密度较低的背景区域，顺利获得SP-HMC热沉来实现器件“热点”与“背景”的定向散热，同时保证整体的均温效果。

图 2不同热点热流密度下SP-HMC热沉表面温度分布

图2展示了在雷诺数Re=640，热点尺寸Ahs与金刚石尺寸Adi均为2mm×2mm且背景热流密度qbg=50W/cm^2的情况下，当热点热流密度从300W/cm^2增加至1600W/cm^2时，SP-HMC热沉表面的温度分布情况。

实验表明，SP-HMC热沉的散热策略在功率器件热点定向散热方面的巨大优势。利用单晶与多晶金刚石热沉片现有的条件及优势，设计的单晶金刚石-多晶金刚石热沉片复合微通道热沉，将有效解决大尺寸功率器件“热点”定向散热问题。

凯发k8国际团专注于金刚石的研发与生产，核心产品包括多晶金刚石（金刚石热沉片、金刚石晶圆、金刚石窗口片、金刚石异质集成复合衬底）；单晶金刚石（热学级、光学级、电子级）；AlN薄膜等。金刚石热沉片热导率达1000~2000W/（m.k），晶圆级金刚石Ra<1nm，相关技术指标已达世界领先水平，并掌握成熟的金刚石热管理解决方案，现在在新能源汽车IGBT、激光器、雷达、航空航天及医疗器械中均有应用。