金剛石基材料及其表面微通道制備技術在高效散熱中的應用

摘要" 隨著第三代半導體材料的興起，電子器件逐漸向著高功率、小型化、集成化方向發展。傳統散熱技術已難以滿足第三代半導體器件高熱流的散熱要求，由此帶來的溫度堆積問題成為器件失效的主要原因。金剛石基材料具有優異的散熱性能，基于此材料的高效散熱技術有望解決高熱流散熱難題?？偨Y了金剛石基材料的發展及其表面微通道制備的主要方法，綜述了金剛石基材料在高效散熱領域中的應用和未來的發展方向。金剛石基材料高效散熱技術的發展及應用能夠為高熱流密度散熱難題的解決提供技術支撐。

關鍵詞" 金剛石；微通道；加工；高效散熱

第三代半導體材料具有較高的禁帶寬度、電子飽和速度、擊穿場強、抗輻射能力以及材料熱導率，是高性能電子器件、光電器件、射頻微波器件等發展的基礎，在高功率雷達、高能激光、新能源汽車、電力電網、5G通信、光伏等領域具有廣闊的應用前景。然而，基于第三代半導體材料的電子器件在提升性能的同時，其功率密度激增，隨之而來的散熱問題也愈發嚴峻。

隨著電子器件逐漸向集成化、小型化發展，芯片內晶體管的集成度不斷上升，熱流密度急劇增加。2021年，國際半導體技術藍圖（ITRS）預測到2020年，集成電路功率密度將增加至100 W/cm2[1]，而實際情況已大大超出預期，電子芯片的熱流密度已超過500 W/cm2，熱點處更是高達1 000 W/cm2[2]。由于傳統散熱材料/器件散熱能力的不足，第三代半導體器件只能發揮其理論性能的20%～30%。若要達到第三代半導體器件性能的理論極限，熱流密度將再提高1個數量級，熱點處的熱流密度接近太陽表面的熱流密度[3]。為提高電子器件的性能，充分發揮第三代半導體材料在微電子領域的潛力，高效的散熱是關鍵：熱點與周圍區域熱流密度差異巨大，需要更高導熱的材料實現均溫；器件整體發熱巨大，需要更高效的散熱方式帶走熱量。金剛石基材料指單晶、多晶金剛石材料及其與金屬復合而成的高導熱材料，相比傳統金屬散熱材料，金剛石基材料的熱導率提升了數倍，能夠顯著提升散熱效率。因此，基于金剛石基材料的高效散熱方法（如金剛石基微通道液冷散熱、金剛石作為熱擴散層等），成為超高熱流散熱研究的熱點。

本文針對金剛石基材料散熱器件，綜述了高導熱金剛石及金剛石增強金屬基復合材料的發展現狀、金剛石基材料表面微通道結構的加工方法、金剛石基材料高性能散熱方法及其應用現狀等。

1" 金剛石基高導熱材料的發展現狀

隨著電子器件熱流密度的急劇增加及散熱問題的日趨嚴峻，傳統的基于鋁、銅及其合金的純金屬散熱材料已難以滿足電子設備的散熱需求，急需發展新型高性能散熱材料。金剛石材料具有超高熱導率、低熱膨脹系數、低密度等特點，以高溫高壓（high temperature high pressure，HTHP）[4-6]和化學氣相沉積（chemical vapor deposition，CVD）[7–10]為代表的人工合成金剛石技術得到深入發展，推動了金剛石材料在散熱領域的應用。HTHP法合成的金剛石晶粒尺寸較小，限制了其在大面積散熱領域的應用[11]，而CVD法能夠合成尺寸較大的金剛石散熱片。HUANG等[12]采用直流電弧等離子體噴射CVD法制備了直徑為7英寸（17.78 cm）、平均厚度為1.54 mm的大尺寸金剛石散熱片，實現了（1 728.0 ± 4.9）W/（m·K）的熱導率，其有望成為高性能散熱領域的核心材料。然而，現有的人工合成金剛石方法生長速率慢，尤其在合成大尺寸散熱片時成本高昂。同時，人工合成金剛石的熱膨脹系數難以與大多數熱源相匹配，導致散熱過程中出現熱應力。上述因素共同限制了金剛石材料在散熱領域的大規模應用。

金剛石增強金屬基復合材料是以鋁、銅等與金剛石具有一定親和性的金屬材料為基體結合劑，以高導熱金剛石顆粒為增強相，采用粉末冶金、高溫高壓、浸滲等方法制備的具有高導熱性能的新型散熱材料。金剛石增強金屬基復合材料集成了金剛石材料高導熱的特性以及金屬材料大尺寸、易成形的特點，具有高熱導率（≥ 600 W/（m·K））、低密度（3.0～7.0 g/cm3）、熱膨脹系數可調等優點，能夠形成較大尺寸的散熱片，相比金剛石材料成本顯著降低。EKIMOV等[13]在高溫高壓（2 100 K，8 GPa）條件下制備出的金剛石/銅復合材料的熱導率達到900 W/（m·K），然而其制備壓力過于苛刻，難以實現大規模工業化生產。LI等[14]通過大粒徑金剛石增強相顆粒、高金剛石增強相體積分數、高致密度與高異質材料界面熱導協同優化，獲得了熱導率高達（1 021 ± 34）W/（m·K）的金剛石/鋁復合材料，其為目前所報道的金剛石增強金屬基復合材料熱導率最高值。上述研究采用異質材料導熱界面調控的方法，為高性能金剛石增強金屬基復合材料的工業化生產奠定了基礎。金剛石基材料與傳統金屬散熱材料的性能對比如表1所示，金剛石基材料具有輕質、高效的特點，其熱導率/密度（λ/ρ）值是傳統金屬散熱材料（如Invar、Kovar合金等）的數百倍，是解決超高熱流散熱難題的理想散熱材料?；谏鲜鰞瀯荩饎偸牧媳环Q為第四代散熱材料，是大功率電子器件、半導體芯片、5G通信、T/R組件等器件的關鍵散熱材料。

2" 金剛石基材料表面微通道的加工方法

在金剛石基材料表面直接加工微通道的過程中，利用金剛石基材料的高導熱特性，將熱源的熱量迅速傳遞給冷卻液，是超高熱流散熱領域的研究熱點。由于金剛石基材料的超硬特性，在其表面加工出具有高深寬比、高垂直度、高重復度的陣列微通道面臨著嚴峻的挑戰。目前，以激光加工、等離子體刻蝕、沉積復制法為代表的加工方法是金剛石基材料表面微通道制備的主要方法。

2.1" 激光加工

激光加工具有非接觸、無機械應力、無工具磨損、無加工材料類型限制等特點[18]，是金剛石基材料表面微通道加工的理想方法[19–23]。姜海濤等[24]運用飛秒激光在多晶金剛石表面加工了陣列微通道結構，微通道寬度為200 μm、深度為200～1 400 μm，深寬比為1～7，如圖1a所示。在優化的激光加工參數下，能夠獲得表面質量好、一致性較高的微通道，如圖1b所示。然而，受到激光光束高斯傳輸特性的影響，激光直接加工法制備的微結構存在結構寬度隨深度增加逐漸減小、近似V形的現象。韋新宇等[25]研究了紫外納秒激光加工金剛石微通道，獲得了深寬比為12的微通道結構，但結構輪廓仍然近似V形，如圖2所示。

針對高斯激光光束加工微通道存在近似V形結構而無法獲得高精度結構輪廓的問題，FU等[26]采用水導激光加工方法實現了深寬比為15的微通道的精密加工，如圖3a、圖3b所示，微通道寬度為55 μm、深度為460～840 μm。水導激光加工的特點是以微細水流（直徑數十微米）為激光傳導介質，激光在水流內發生全反射并傳導至加工區域。水流對激光的導向作用增加了激光聚焦的景深，能夠實現高深寬比微結構加工，水射流及時冷卻加工區域能夠有效減少激光加工損傷。WEI等[27]通過調整水導激光與金剛石材料表面的夾角，加工出具有倒V形結構的金剛石微通道熱沉，如圖3c、圖3d所示。相較于常規的矩形微通道結構，倒V形結構能增大固液換熱面積，從而進一步提高金剛石微通道熱沉的冷卻能力。ZHOU等[28]探究了超聲輔助水導加工的機理，發現聲流可以輔助沖刷激光加工產生的碎屑，并將水流受熱產生的氣泡及時帶走，從而使其材料去除率遠高于無超聲輔助的水導激光加工。

綜上所述，激光加工是金剛石基材料表面微通道加工的重要方法，優化激光加工參數能夠提高激光加工微通道輪廓結構精度及一致性，水導激光能夠克服傳統激光加工存在的V形輪廓現象，獲得高精度、高深寬比的微通道結構，解決金剛石材料微通道加工的難題，為金剛石基材料微通道散熱器件的應用提供有效技術支撐。

2.2" 等離子體刻蝕加工

等離子體刻蝕也是金剛石材料表面微結構加工的重要方法，在等離子體的轟擊下，金剛石材料表面原子通過化學反應揮發，從而完成微結構的加工。FORSBERG等[29]利用等離子體刻蝕技術成功制造出具有大深寬比的金剛石光學器件，刻蝕金剛石寬度為微米級、深寬比≥6，但刻蝕微通道側壁存在一定傾斜，如圖4所示。

FU等[30]以O2/Ar混合氣體為蝕刻氣體，對CVD金剛石薄膜進行選擇性刻蝕，能夠實現毫米級的復雜微結構的精密加工，如圖5a所示。SUN等[31]采用電子束刻蝕（e-beam lithography，EBL）與電感耦合等離子體（inductively coupled plasma，ICP）刻蝕工藝，在CVD金剛石材料上制備出如圖5b所示的微納結構陣列，其長徑比達到10，顯現出良好的一致性。HICKS等[32]采用O2/Ar的混合氣體刻蝕金剛石材料，刻蝕深度達十微米，如圖5c所示?？涛g速率隨著混合氣體中O2濃度的增加而增大。ZHU等[33]采用熱回流與干法蝕刻技術，在金剛石材料上加工出六邊形陣列，其加工過程如圖5d所示。在經過拋光處理的金剛石板上涂覆掩膜，并采用光刻技術在掩膜上加工出圖案陣列；在160 ℃下，掩膜融化并將圖案轉移到金剛石材料表面，并在O2/Ar氛圍下采用干法蝕刻技術在金剛石上加工出微結構陣列。

綜上所述，以O2/Ar為蝕刻氣體的等離子體刻蝕技術是在金剛石材料表面加工微結構陣列的有效方法，且所加工結構的精度較高，能夠實現毫米級到納米級的表面精密刻蝕加工。等離子體刻蝕能夠制備復雜表面結構，為高性能微通道金剛石散熱器件制造提供了技術支持。

2.3" 模型復制法

模型復制法是金剛石材料表面微通道加工的新方法，通過在周期性微結構表面沉積金剛石，采用其他加工方法去除襯底材料，獲得復制的金剛石微結構表面[34]。CHANDRAN等[35]以單晶硅微結構表面為襯底，采用熱絲化學氣相沉積法（hot filament chemical vapor deposition，HFCVD）沉積金剛石材料，獲得寬度為5 μm、深度為5～45 μm的金剛石微結構表面。然而，隨著模具襯底微結構深寬比的增加，襯底微溝槽底部金剛石沉積層厚度逐漸降低，甚至出現明顯的缺陷。

LIU等[36]研究了CVD金剛石在銅質微通道模具中的生長規律，通過納米金剛石懸浮液超聲振蕩加載籽晶，隨后采用HFCVD在銅模板圓柱形微通道內成功制備出三維結構的金剛石膜，如圖6所示。

袁佳晶等[34]通過在單晶硅微結構襯底上沉積金剛石，然后使用化學腐蝕法去除襯底材料，制備了金剛石微結構表面，如圖7a所示。LU等[37]探究了金剛石在Si模具上的生長方式，發現CVD沉積過程中氣體在模具表面的速度分布不均勻，是模具復制法所制造的金剛石微結構存在缺陷的主要原因，并成功制備了帶有大深寬比的金剛石微通道結構，如圖7b所示。

3" 金剛石基材料在高性能散熱中的應用

3.1" 基于金剛石材料的微通道散熱應用

現有的加工方法能夠在金剛石基材料表面獲得高質量的陣列微通道，滿足高效液冷散熱對結構的加工要求。在單晶/多晶金剛石上直接加工出液冷微通道結構，是超高熱流散熱的重要方法。YANG等[19]在多晶金剛石上制備了寬度為300 μm、深度為1 500 μm的平行微通道，采用液氨為冷卻工質，實現了熱流密度為267 W/cm2的有效冷卻。在此基礎上，YANG等[22]在冷卻工質液氨處于飽和溫度（25 ℃）、質量流量為675 kg/（m2·s）的情況下，實現1 000.4 W/cm2熱流密度的散熱。金剛石高導熱的特性能夠將中心熱源熱量橫向擴散并通過微通道液冷傳熱及時導出，從而有效控制器件整體工作溫度及其均勻性，避免銅質微通道常見的中心熱點熱量堆積。

QI等[21]制備了深寬比為3的金剛石微通道，如圖8a、圖8b所示，發現金剛石微通道的導熱系數比鋁制微通道的高37%～73%，且能以更低的冷卻工質質量流量實現更好的冷卻效果，金剛石微通道在全實驗環節均維持穩定的單相液流，而鋁材較低的熱導率導致微通道內產生了冷卻工質沸騰。在此基礎上，QI等[38]對金剛石微通道的表面進行化學改性以獲得強親水性表面，如圖8c所示，發現金剛石微通道的傳熱性能提升了20%～50%，熱阻下降了14%～28%，熱源的表面溫度也進一步下降。

沿著金剛石微通道表面化學改性這一思路，TU等[39]進一步探究了金剛石微通道表面親疏水性對傳熱性能的影響。研究者分別采用O2?、H+、F?溶液對金剛石微通道進行表面處理，如圖9所示。F?溶液處理增強了表面疏水性，使得工質與微通道界面的固液接觸減少，散熱能力略有降低。O2?、H+溶液處理增強了表面親水性，并使得散熱性能有效提升。但隨著高溫流體的持續作用，H+處理后的金剛石表面的C—H鍵轉化為C—O鍵，而O2?溶液處理后的金剛石表面的C—O鍵較為穩定。由此可知，表面親/疏水性對金剛石微通道散熱性能有重要影響，表面親水處理能夠增加微通道界面與液體工質間的接觸進而提高換熱能力，而O2?溶液表面處理具有更好的熱穩定性。

金剛石材料表面的化學改性能夠在一段時間內提高金剛石微通道的散熱性能，但散熱性能會隨著時間退化。針對這一問題，PALKO等[23]提出更可靠的金剛石微通道表面處理方法。研究者采用激光加工深寬比為1∶1的陣列V形金剛石微通道，如圖10所示，并在其表面電鍍銅質多孔結構。該設計使得多孔結構牢固耦合在金剛石材料表面，增大了微通道表面與液體工質間的接觸面積，使得散熱器件能夠將極小面積的高熱流均勻擴散到整個微通道散熱器件，從而在實現1 280 W/cm2的散熱能力的同時保持極高的均溫能力。

近年來，針對金剛石材料作為微通道散熱器件的研究工作如表2所示。金剛石材料能夠及時將熱源產生的熱流擴散至整個散熱器件并通過微通道液冷高效散熱，實現≥1 000 W/cm2的超高熱流散熱。親水性表面、表面多孔結構等表面處理方法能夠有效提高金剛石微通道散熱器件的散熱性能。

3.2" 基于金剛石增強金屬基復合材料的微通道散熱應用

金剛石增強金屬基復合材料能夠以較低的成本實現散熱片較大的尺寸與厚度，且能通過調整金剛石增強相的比例，實現復合材料熱膨脹系數的調控。基于上述優點，研究者將目光投向金剛石增強金屬基復合材料，并嘗試在該材料上加工出表面微通道結構。巫永鵬[41]采用電鍍法制備了熱導率為614.87 W/（m·K）的銅基金剛石復合材料，并采用紫外-LIGA法在復合材料表面制備了十字交叉微通道，微通道寬度為250 μm、深度為500 μm，如圖11所示。

張永建等[42]采用氣壓浸滲法制備了熱導率為850 W/（m·K）的銅-硼基金剛石復合材料熱沉，如圖12所示，并測試了其與同尺寸的純銅與純鋁熱沉在自然冷卻、強迫風冷和強迫水冷3種冷卻模式下的散熱效果。實驗結果表明，隨著熱源功率的增大，復合材料的散熱效果越明顯。在強迫水冷模式下，復合材料翅片熱沉的整體溫度更低，且溫度分布更均勻。

CONSTANTIN等[43]

采用激光定向能量沉積（laser direct energy deposition，LDED）技術，以金屬增材制造的方法直接打印出銅基金剛石復合材料微通道熱沉，如圖13所示。其中，金剛石粒度為105 μm、表面涂覆TiO2-TiC涂層，金剛石體積分數為25%，復合材料熱導率達到330 W/（m·K），微通道結構參數未見報道。該研究為金剛石增強金屬基復合材料微通道散熱器件制備提供了新的思路。

隨著復合材料合成工藝的發展，所獲得的金剛石增強金屬基復合材料的性能越來越高?；诮饎偸鰪娊饘倩鶑秃喜牧系奈⑼ǖ郎嵫芯可刑幱谄鹗茧A段，但已能夠實現1.0 kW/cm2及以上熱流密度的高效散熱，可見應用前景極其廣闊。

3.3" 基于金剛石熱擴散層與金屬微通道結合的散熱應用

利用金剛石基材料直接制備的微通道熱沉，在材料成本和加工難度方面都遠高于金屬微通道熱沉?；诖耍醒芯空咛岢鲆越饎偸∧闊釘U散層，并將其與金屬散熱材料制備的微通道相耦合這一技術路線。該方法不僅能夠有效降低散熱器件整體成本與加工難度，而且由于金剛石熱擴散層的存在，局部高熱流能夠迅速擴散，降低器件峰值工作溫度，同時增大散熱系統的有效換熱面積。

研究者采用仿真手段驗證了金剛石熱擴散層與金屬微通道相結合技術的可行性。ZHANG等[44]采用有限元仿真分析設計了如圖14a所示的金剛石熱擴散層復合微通道液冷熱沉結構，發現高導熱性能的金剛石能夠有效降低熱源結溫并提高熱源表面的溫度均勻性。為探究金剛石熱擴散層厚度的臨界值，ZHANG等[45]以金剛石為GaN器件的散熱襯底（如圖14b所示），發現當金剛石熱擴散層厚度lt;1 μm時，金剛石熱擴散層熱導率出現各向異性，將會引起熱源溫度上升19 ℃。為獲得較高的熱源溫度均勻性，ZHANG等[46]進一步將金剛石熱擴散層與歧管微通道液冷相結合（如圖14c所示），發現金剛石熱擴散層能夠大幅降低熱沉的擴散熱阻、整體熱阻與器件的工作溫度，且隨著金剛石層厚度的增加，熱阻降低效果愈發明顯。

隨著金剛石金屬化鍍層等異種材料高導熱耦合工藝的發展，研究者構建出金剛石熱擴散層與金屬微通道相結合的散熱器件實物。HAN等[47]設計了基于金剛石熱擴散層復合銅質微通道液冷的散熱方案，如圖15a所示，芯片最高工作溫度與純銅微通道的相比下降了11.5%～22.9%。在此基礎上，HAN等[48]引入微射流陣列，如圖15b所示，熱點熱流冷卻能力達到10 kW/cm2級。針對GaN器件的高效散熱問題，CALAME等[49]設計了SiC微通道與金剛石熱擴散層的復合結構，有效冷卻了小面積GaN功率器件4～5 kW/cm2級熱流。CAMPBELL等[50]在GaN芯片中引入厚度為150 μm的金剛石襯底，并結合微通道液冷，有效提高了電路的性能和可靠性。

近年來，針對金剛石熱擴散層與金屬微通道高效液冷散熱相結合的研究工作如表3所示。金剛石熱擴散層的存在極大提高了金屬微通道應對高熱流的散熱能力，新型散熱方法能夠對10 kW/cm2級的局部熱點實現高效冷卻，是解決高功率GaN器件、芯片等超高熱流元件熱點散熱難題的有效方法。隨著金剛石生長技術與異種材料高導熱耦合技術的進步，該散熱方法將在大功率電子器件中具有廣闊的應用前景。

4" 總結與展望

金剛石基材料作為輕質、高效的散熱材料，吸引著無數研究者的目光，有望成為大功率器件熱管理過程中的關鍵散熱材料。隨著材料合成工藝的發展，金剛石基材料向著更低成本、更大尺寸等方面發展，以符合高性能散熱領域對散熱材料提出的更高要求。

金剛石基材料高硬度、高強度的特性對金表面微通道的精密加工帶來了嚴峻的挑戰。激光加工、等離子體刻蝕等基于能量的方法，以及模型復制法等基于氣相沉積的方法，為金剛石基材料表面微通道的加工提供了有效的解決途徑，能夠實現深寬比≥15的高深寬比微通道的精密加工，從而有效滿足微通道散熱結構的制造需求。

金剛石基材料在高效散熱領域應用的研究，主要聚焦于金剛石基材料直接制備液冷微通道，以及金剛石基材料作為熱擴散層與金屬微通道進行耦合2條路線，上述方法結合了金剛石基材料高導熱的特性以及微通道高效對流換熱的能力，為新型超高熱流器件的高效散熱提供了全新的技術手段。通過散熱器件結構與界面特性的協同優化，能夠達到熱流密度≥1 kW/cm2的散熱能力，從而實現芯片、雷達T/R組件等高熱流器件的高效散熱。

然而，目前關于金剛石基材料在高效散熱中的研究還不夠充分，無法與大規模生產應用相匹配。針對未來提高金剛石基材料在高效散熱中的研究與應用，提出以下展望。

（1）單晶/多晶金剛石材料與金屬材料的低熱阻耦合問題具有很大的研究空間與應用價值，構建單晶/多晶金剛石材料聲子傳熱與金屬材料電子傳熱之間的電聲耦合模型，可為單晶/多晶金剛石材料作為熱擴散層這一技術路線提供更多的理論與技術支持。

（2）關注金剛石增強相與金屬基體之間的界面熱傳導機理，深化金剛石增強金屬基復合材料在高效散熱中的應用。通過工藝參數的調控來獲得具有不同熱導率、密度、熱膨脹系數的金剛石增強金屬基復合材料還需開展系統的研究工作。

（3）開發針對金剛石基材料高精度高效率的加工方法，解決傳統加工方法中出現的大錐度、表面熱損傷等不利于固液傳熱的問題。例如，采用水導激光 + 結構化砂輪磨削的復合工藝，提高加工效率與質量。

（4）融合金剛石基材料的合成與加工步驟，實現帶有表面微通道陣列的金剛石基材料的一次成型，對未來金剛石基材料在高效散熱中的應用具有重要意義。

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