随着半导体技术快速发展，电子元器件微型化与高集成化使功率密度逐年攀升。以氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）为代表的大功率器件需求不断增长，热管理已成为关键挑战—研究表明，过高温度约占电子器件失效原因的 55%。金刚石薄膜（优异热导率 + 电绝缘性）与石墨烯薄膜（优异热导率 + 高导电性）凭借出色的热学、力学与电学性能，成为半导体热管理的理想候选材料，可分别应对绝缘与导电两类应用场景。

近日，台湾亚洲大学Song yulin团队提出了一种基于特斯拉阀的混合均温板散热器（HVCHS）的数值研究，采用高热导率金刚石衬底用于大功率 GaN 器件冷却。

与此同时，利用两相蒸发-冷凝原理的均温板（Vapor Chamber）已被广泛用于消除局部热点；而将预设计的特斯拉阀液冷管集成于均温板内部，可在小型化的同时增强热容量与散热效率。

• CVD 金刚石（k ≈ 2200 W/m·K）与石墨烯薄膜（面内 k ≈ 4000 W/m·K）作为衬底级直接热扩散层，虽能显著增强横向热输运，但实际封装中芯片—衬底、衬底—散热器之间需热界面材料（TIM），界面接触热阻可能占据整体热阻的相当大部分，必须在真实界面条件下评估冷却系统性能。
• 现有文献缺乏在大功率（1200 W）条件下将多相流与相变严格耦合的定量数值模型。

01 研究方法

针对 GaN 器件热管理，开展三维多相数值研究：

• 模型：流体体积法（VOF）耦合 Lee 相变模型
• 结构：基于特斯拉阀的混合均温板散热器（HVCHS），配 0.7 mm 厚衬底级金刚石层（区别于以往微米级薄膜研究）
• 工况：恒定 1200 W 热载荷，三种芯片—金刚石衬底热界面工况——
• 无额外 TIM 的理想接触
• 超薄石墨烯薄膜 TIM（5 nm）
• 常规导热膏 TIM（50 μm）
• 机理分析：重点考察反向流动诱导的混合如何提高努塞尔数、优化多孔毛细芯内液体分布，并计入接触热阻影响。

02 主要结果

• 由于特斯拉阀几何诱导的增强湍流混合，所有热界面工况下，反向流动均优于正向流动，温降约 8–17 °C（取决于入口流速与 TIM 类型）。
• 加入真实 TIM 会增加整体热阻，但 5 nm 石墨烯 TIM 引起的温升远小于 50 μm 导热膏 TIM。
• 最优工况（4 m/s 反向流动、理想接触）：芯片最高温度降至 69.56 °C。
• 最保守工况（0.5 m/s 正向流动、常规导热膏 TIM）：芯片温度仍低于 122 °C，处于大功率 GaN 器件可接受范围

03 图文导读

图1. (a) 过去 20 年间芯片最大功耗、热流密度与晶体管数量的变化趋势；(b) 电子器件失效原因占比 。

图 2. HVCHS 设计：(a) HVCHS 剖面图；(b) HVCHS 透视图。

图 3. 模型设计流程。

图 4. 特斯拉阀微通道中流动方向构型示意图。(a) 正向流动：冷却液从低阻力入口进入，沿流线型主流通道流动，流动分离最小。(b) 反向流动：冷却液从高阻力入口进入，对导流板产生强烈冲击，在特斯拉阀弯道内形成回流区并增强湍流混合。

图 5. 微通道冷却系统中的速度大小云图：(a) 正向入口流动构型，速度分布峰值最高达 6.306 m/s，特征为流线型流动且中心环道处加速度更高；(b) 反向入口流动构型，峰值速度较低，湍流与混合增强，表现为更宽阔的低速区域。

图 6. 反向入口流动下、无 TIM 金刚石衬底在 (a) 0.5 m/s、(b) 1 m/s、(c) 2 m/s、(d) 4 m/s 时的温度分布。

图 7. 正向入口流动下、无 TIM 金刚石衬底在 (a) 0.5 m/s、(b) 1 m/s、(c) 2 m/s、(d) 4 m/s 时的温度分布。

图 8. 反向入口流动下、采用 5 nm 石墨烯薄膜 TIM 的金刚石衬底在 (a) 0.5 m/s、(b) 1 m/s、(c) 2 m/s、(d) 4 m/s 时的温度分布。

图 9. 反向入口流动下、采用 50 μm 常规导热膏 TIM 的金刚石衬底在 (a) 0.5 m/s、(b) 1 m/s、(c) 2 m/s、(d) 4 m/s 时的温度分布。

结论与展望

特斯拉阀微通道的被动流动控制与金刚石衬底相结合、并计入接触热阻的建模方法被证明有效，为兼顾热效率与封装可行性的高性能冷却系统设计提供了实践依据。未来方向包括：实验验证、为增强二极特性优化特斯拉阀几何结构、以及开发面向高热流密度长期可靠性的先进热界面材料。

信息来源：未来产链

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