北京大学“全金刚石-歧管微通道”散热器，突破传统散热技术极限

随着对高性能、大功率电子器件的需求不断增长，芯片功耗已达到前所未有的水平。芯片的热管理在决定其运行效率、可靠性和使用寿命方面起着关键作用。近年，大量研究集中在硅衬底上制造微通道，以增强对流换热。然而，传统的直形微通道散热器存在压降较高以及沿流动方向温度梯度显著的问题。为了克服这些局限性，人们提出了歧管式微通道（MMC）结构，其中冷却剂通过入口和出口歧管重新分配。与传统的直通道设计相比，歧管式微通道散热器可将热阻降低一半以上，并将受热壁面的温度均匀性提高约一个数量级。嵌入式或歧管式微通道冷却器已通过实验证明既能实现高热流密度散热，又能降低热阻。研究表明，与硅中传统的直形微通道相比，歧管式微通道结构是一种更优越的改进，但整体热性能从根本上仍然受到硅衬底有限的热导率和热扩散能力的限制。对于热点级别的热管理，传导在总热阻中占主导地位，从而限制了对流冷却改善带来的益处。硅在处理超高热流密度方面的固有局限性日益明显，这促使人们探索替代的高导热性材料，其中金刚石显示出非凡的潜力。

金刚石兼具超高导热性、宽禁带和优异的机械强度，已成为有望替代硅的候选材料，常被视为终极半导体材料。众多研究探索了金刚石作为散热基板或蚀刻微通道基底的应用。然而，现有大部分研究仅利用了金刚石作为散热基板的高导热性，并未将其与歧管式微通道结构相结合。

据麦姆斯咨询报道，针对这一关键问题，北京大学集成电路学院、微米纳米加工技术全国重点实验室、集成电路高精尖创新中心王玮-张驰团队联合北京遥感设备研究所、北京科技大学相关团队，成功研制了一种全金刚石基嵌入式歧管微通道散热器（FDMMHS），利用激光加工技术在金刚石衬底上实现了高深宽比的微通道与歧管结构的精密制造与集成，确立了“全金刚石-歧管微通道”协同散热的新范式。

全金刚石基嵌入式歧管微通道散热器示意图

全金刚石基嵌入式歧管微通道散热器制备工艺

下图展示了本实验中使用的热测试系统，该系统能够实时采集流体和电信号。系统采用去离子水作为冷却液，室温下的入口温度为24°C。整个流体循环回路由微型齿轮泵驱动。从储液罐流出的流体经过一个40 μm的过滤器，流量通过科里奥利质量流量计进行监测。样品入口处安装了一个绝对压力表以监测绝对压力，确保其不超过允许限值。入口和出口之间的压差通过差压表测量。此外，采用两个T型热电偶分别监测入口和出口的流体温度。实验过程中，首先稳定流速，然后逐渐提高施加的功率。持续监测电阻的变化，并收集每种操作条件下的稳态电学测量数据。在多种流速下对全金刚石基嵌入式歧管微通道散热器的热性能进行表征。

全金刚石基嵌入式歧管微通道散热器测试样品及热测试系统示意图

该研究系统评估了全金刚石散热器在不同尺寸热源下的散热性能，实现了对超高热流密度热点的极致冷却。经过实测，针对1 mm × 1 mm的热点，该全金刚石散热器成功实现了10,000 W/cm2的超高热流密度散热，芯片温升控制在120 ℃以内；针对3.4 mm × 3.3 mm的大面积热源，在1000 W/cm2的热流密度下，温升仅为42 ℃。其有效对流换热系数最高达到1.3 × 105 W/(m2·K)，展现了金刚石微通道极高的散热潜力。

全金刚石嵌入式歧管微通道实物图

该研究进一步揭示了金刚石材料与歧管微通道架构协同散热的物理机制。研究表明，在处理如GaN HEMT器件微小尺寸的高热流密度热点时，热阻主要由扩散热阻主导。

相比于传统的硅基散热器，全金刚石结构极大地降低了扩散热阻，降低幅度超90%，使得热量能够快速扩散至整个微通道区域；同时，结合嵌入式歧管结构带来的流体边界层重构效应，显著强化了对流换热能力。

该工作通过实验与理论模型的深度解析，证明了全金刚石微通道技术能够突破传统散热技术的极限，为未来雷达、高能激光器及高功率射频芯片等极端工况下的热管理提供了极具潜力的解决方案。

全金刚石散热器与其他先进散热技术的性能对比

相关研究成果已经以“Fully diamond-based embedded manifold microchannel heat sink: Achieving ultra-high heat flux cooling”为题发表在传热学顶刊《国际传热传质》(International Journal of Heat and Mass Transfer)上。

北京大学王玮教授团队长期致力于先进封装中热管理技术的研究，在嵌入式微流体冷却、相变冷却及新型热界面材料等领域进行了一系列卓有成效的探索。

北京大学集成电路学院博士生杜建宇为文章的第一作者，北京大学集成电路学院王玮教授、张驰副研究员为通讯作者。北京遥感设备研究所高工姬峰、孙浩洋，北京科技大学魏俊俊教授、硕士毕业生韦欣怡，北京大学博士生石上阳、硕士生涂佳乐为文章的共同作者。该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2026.128420

来源：微流控

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