四川
论文信息：
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
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.diamond.2025.113237
Part.1
研究背景
随着微电子和大功率器件的持续发展，在高频、高功率、高温条件下运行的电子设备的发热量稳步增加。因此，加强热管理对于保障器件可靠性至关重要。传统的微通道优化策略主要集中在几何结构改进以强化传热。如图 1 所示（图 1 为微通道散热器的研究现状，展示了 2014-2025 年间不同学者的相关研究研究人员已研究了矩形、波浪形和椭圆形等通道几何形状。尽管存在丰富的强化策略，但对热应力引起的界面缺陷及其对热性能的恶化影响的定量分析仍不够充分。
图 1. 微通道散热器的研究现状
近年来，微通道冷却中的热应力分析已开展了大量研究，如图 2 所示（图 2 为热应力分析的文献综述，呈现了 2021-2025 年间 TSV 在 3D 芯片中的应用、微通道封装、沉浸式冷却等相关研究方向）。
图 2. 热应力分析的文献综述
其他研究考察了复合材料中的热膨胀系数兼容性，如图 3 所示（图 3 为不同基底的热应力分析，展示了 2014-2025 年间陶瓷基底、金刚石 / 氮化铝基底、铜 / 铝 / 钢钛基底等不同基底的热应力相关研究）。
此外，关于热失效机制的研究较少，且通常集中在特定材料系统或单一结构上，对高热通量下 GaN - 金刚石复合微通道中的流 - 固耦合作用以及界面裂纹缺陷与热性能之间的定量关系探索有限。
图 3. 不同基底的热应力分析
综上所述，尽管在传热强化和热应力分析方面取得了显著进展，但对界面微裂纹（由这些现象耦合产生）抑制传热的定量评估仍不够充分。本研究的主要贡献如下：（1）开发了一种耦合计算流体力学（CFD）- 有限元结构分析方法，考虑了高温界面失效、流动诱导的局部湍流 / 涡旋等效应，构建了金刚石 - GaN 复合微通道的多物理场模型。（2）将裂纹尺寸、数量和分布参数整合到模型中，随后通过 CFD 仿真系统量化了它们对总热阻、局部热点温度和器件可靠性的影响。（3）提出了一种通过几何扰动诱导二次流的新型翅片排列方案，实现了传热强化和界面应力缓解的双重效果。（4）所提出的周期性隆起型微通道结构在无界面失效的情况下，热通量承载能力高达 10kW/cm²。
Part.2
研究内容
图 4 展示了 GaN 器件结构示意图（图 4 中包含栅极、源极、漏极、AlGaN 层、2DEG、GaN 层和微通道等结构），该图呈现了用于 GaN 功率器件近结冷却的微通道布局。微通道热管理的主要目标是散发 GaN 功率器件中这种 2DEG 产生的高热通量。
图 4. GaN 器件结构示意图
为解决 GaN 功率器件的高热通量挑战，本研究采用了具有超高导热率的金刚石微通道。图 5 描绘了新设计的变截面周期性隆起型微通道散热器（MHS）的示意图（图 5 包含三组不同的结构方案：Group A 包含 Case1-Case5，展示了不同裂纹宽度和厚度的结构；Group B 包含 Case6-Case10，呈现了不同裂纹间距的设计；Group C 包含 Case11-Case14，为不同裂纹数量的结构，通道尺寸为 1000μm×1000μm×110μm，热点区域 200μm×200μm 内布置了 100 个圆柱形微翅片阵列，每个翅片直径 8μm、间距 20μm、高度 90μm）。
图 5. 金刚石 - GaN 复合微通道散热器结构示意图
图 6 为网格独立性验证图（图 6 包含（a）（b）两部分，分别展示了不同网格数量下热点温度、平均热点温度等温度参数以及压力降、有效传热系数等性能参数的变化，网格数量范围为 1,870,679 至 3,096,478，最大偏差分别为 0.92%、11.31% 和 5.56%）。
图 6. 网格独立性验证（热点温度（Thp）、平均热点温度（Tav）、GaN 层温度（TGaN）、金刚石微通道温度（Tc）、冷却剂温度（Tf）、出口温度（Tout）、最大温差（θTmax）、最大压差（θp）、压降（ΔP）和有效传热系数（heff））
为验证数值模型，图 7 将本研究的仿真结果与文献中的基准数据进行了对比。两种情况下的良好一致性证实了仿真方法的可靠性。
图 7. 仿真与实验验证
图 8 为不同微通道基底的传热性能差异对比图（图 8 包含（a）（b）（c）（d）四部分，分别展示了不同基底的热点温度、温度均匀性、传热系数与压降以及热阻情况，基底包括金刚石、硅、碳化硅和氮化铝）。图 8 展示了不同基底制造的微通道在无界面缺陷情况下的性能差异。
图 8. 不同微通道基底的传热性能差异对比
图 9 为稳态热模型流 - 热耦合分析图（图 9 展示了金刚石、硅、碳化硅和氮化铝四种基底在相同微翅片热负荷下的稳态温度场分布）。图 9 呈现了在相同微翅片热负荷下，碳（C）、硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化铝（AlN）基底的稳态温度场。
图 9. 稳态热模型流 - 热耦合分析
图 10 为流 - 热 - 固多物理场耦合应力 - 应变分析图（图 10 包含（a）（b）（c）三部分，分别展示了不同基底微通道的变形、应变和应力情况，基底包括硅、碳化硅、氮化铝和金刚石 - GaN 复合基底）。
图 10. 流 - 热 - 固多物理场耦合应力 - 应变分析（含续图）
图 11 为不同裂纹下的温度分布云图（图 11 展示了 Group A 中 Case1-Case5 不同缺陷布局在界面裂纹面积相等条件下的温度分布情况，包含不同裂纹宽度和厚度对应的热点温度变化）。图 11 展示了 A 组中不同缺陷布局在界面裂纹面积相等的条件下对温度场的影响。
图 11. 不同裂纹下的温度分布云图
图 12 为界面裂纹尺寸对传热的影响图（图 12 包含（a）（b）（c）（d）（e）五部分，分别展示了不同裂纹尺寸下热点温度等温度参数、温度均匀性、热阻分解、传热系数与压降以及综合性能因子和熵产的变化情况）。
图 12. 界面裂纹尺寸对传热的影响
图 13 为变截面微通道中诱导的二次流速度分布云图（图 13 包含（a）（b）两部分，（a）展示了流场分布，（b）呈现了轴向速度剖面）。
图 13. 变截面微通道中诱导的二次流速度分布云图
图 14 为不同裂纹间距的温度分布图（图 14 展示了 Group B 中 Case6-Case10 不同裂纹间距下的温度分布情况，裂纹间距分别为 250、300、350、400、450μm）。
图 14. 不同裂纹间距的温度分布
图 15 为不同裂纹间距下的传热性能对比图（图 15 包含（a）（b）（c）（d）（e）五部分，分别展示了不同裂纹间距下热点温度等温度参数、温度均匀性、热阻、传热系数与压降以及综合性能因子和熵产的变化情况）。图 15 详细分析了不同裂纹间距下的传热性能。
图 15. 不同裂纹间距下的传热性能对比
图 16 为界面裂纹数量对温度分布的影响图（图 16 展示了 Group C 中 Case11-Case14 不同裂纹数量下的温度分布情况，裂纹数量分别为 1、3、5、8 条）。图 16 说明了不同界面裂纹数量（N=1、3、5、8）对温度分布的影响。
图 16. 界面裂纹数量对温度分布的影响
图 17 为界面裂纹数量对散热性能的影响图（图 17 包含（a）（b）（c）（d）（e）五部分，分别展示了不同裂纹数量下热点温度等温度参数、温度均匀性、热阻、传热系数与压降以及综合性能因子和熵产的变化情况）。图 17 考察了裂纹数量对热性能的影响。
图 17. 界面裂纹数量对散热性能的影响
图 18 为微通道内的轴向温度变化图（图 18 包含（a）（b）（c）（d）（e）（f）六部分，分别展示了不同裂纹厚度、不同裂纹间距、不同裂纹数量下沿 x 轴和 y 轴的温度分布情况）。
图 18. 微通道内的轴向温度变化
热边界阻（TBR）是指热量在不同材料界面（例如氮化镓和金刚石之间）传递时遇到的阻力。其物理根源主要在于所涉及材料的晶体结构和导热率差异，导致热量在跨界面传递时发生声子散射、反射或传输效率降低，从而引入额外的热阻。图 19 为所有情况下的热边界阻（TBR）分析图（图 19 包含（a）（b）（c）（d）四部分，分别展示了不同裂纹尺寸、不同裂纹间距、不同裂纹数量以及不同基底材料对应的热边界阻变化情况）。图 19 分析了不同裂纹和基底材料的热边界阻。
图 19. 所有情况下的热边界阻（TBR）分析
图 20 为金刚石基底微通道散热器与先前文献结果的性能对比图（图 20 展示了本研究的金刚石基底微通道散热器与其他学者研究的散热性能对比，突出了本研究在热通量移除能力上的优势）。如图 20 所示，本研究开发的无裂纹 Case1 金刚石基微通道散热器在热性能方面取得了突破性提升。因此，无裂纹 Case1 金刚石微通道散热器不仅重新定义了微通道冷却技术的热通量密度极限，还为大功率电子器件的热管理奠定了坚实的技术基础。
图 20. 金刚石基底微通道散热器与先前文献结果的性能对比
Part.3
研究总结
本研究提出并数值分析了金刚石 - GaN 复合微通道冷却结构，以应对超高热通量下 GaN 功率器件的热管理挑战。研究评估了裂纹尺寸、间距和数量对传热效率与热应力的影响，设计的变截面周期性隆起微通道及圆柱形针翅结构可通过诱导二次流强化局部传热。结果表明，该复合微通道在 10kW/cm² 热通量下能实现 356.2K 的低热点温度和 5.5% 的温度均匀性，热应力显著低于硅、碳化硅和氮化铝基底，且界面热边界阻较低；裂纹会通过增加热阻、破坏温度场对称性等削弱传热性能，其中超过 5 条裂纹或 250μm 以下裂纹间距会导致性能显著恶化。该结构可实现无界面失效的稳定冷却，为大功率电子器件热管理提供了有效方案，未来需进一步优化材料匹配性以减少裂纹形成并提升长期可靠性。
Interfacial crack influence on heat transfer in periodically bulged diamond GaN composite microchannel heat sinks.pdf
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