综述 | 大功率器件基板散热技术研究进展
摘要电子器件正朝着高性能和小型化方向发展，频率、功率和集成度不断提高，其内部大功率芯片产生的热量急剧增加，不仅影响器件工作效率和稳定性，还直接关系到整个系统的安全性和可靠性。大功率器件产生的热量主要依靠封装基板提供耗散通道，因此研究基板散热技术尤为重要。详细介绍了金属基板、陶瓷基板、复合材料基板等常规基板散热技术和微流道散热技术、相变散热技术、热电散热技术等新型基板散热技术的研究现状。其中，歧管微流道金刚石基板以及多种散热方式协同应用基板具备优异的冷却性能，有望大幅提高电子器件的功率和寿命。通过分析各种基板散热技术，期望为相关领域的研究和应用提供有价值的参考。 0引言随着现代电子技术的迅猛发展，大功率器件广泛应用于航空航天、汽车工业和消费电子等各领域，其内部芯片的功率通常在数十瓦特以上，会在发热结区产生过高的热量，局部热流密度可能超过10 k W/cm2，如果不能及时将热量散发出去，便会造成芯片表面温度快速升高，芯片性能的稳定性及寿命与工作温度密切相关，当芯片工作温度接近70～80℃时，温度每升高2℃，芯片失效的风险就会增加10%，严重危害器件的安全运行。由此可见，大功率芯片的散热是一个亟需解决的问题。封装基板除了为大功率器件的内部芯片提供固定、支撑外，还是主要的散热通道，基板材料的热导率、基板加工方法和结构以及芯片与基板的集成方式等都会影响芯片的散热性能，进而影响大功率器件整体的散热效果。本文总结了近年来各种基板散热技术的研究进展，包括常规基板散热技术和新型基板散热技术，为后期基板散热技术的研究提供参考。1常规基板散热技术常规基板散热技术分为金属基板、陶瓷基板和复合材料基板散热技术，3种基板散热技术具备不同的特点，应用范围也不同。金属基板适用于消费电子产品、计算机硬件、汽车电子和电源模块等需要高导热性和低成本的应用场合；陶瓷散热基板适用于高温电子器件、高功率电子器件、激光二极管等需要耐高温和绝缘性能的应用场合；石墨烯增强复合材料散热基板适用于高频电子器件、柔性电子器件、高功率LED和电动汽车电池等需要高导热性和轻量化的应用场合。1.1 金属基板散热技术金属材料是最早应用于基板散热的材料，主要包括铜、铝及其合金材料，这些材料具有较高的热导率，金属铜的传热系数高达401 W/（m·K），铝的热导率为237 W/（m·K)。此外，金属材料具备较高的机械强度和良好的可加工性，因此被广泛用作电子器件的封装基板，为电子器件提供支撑并将电子器件产生的热量快速传导至外部环境，保证产品的安全运行。但是金属基板也存在一些局限性，例如，金属基板通常比较重，不适合需要轻质的场合和应用，特别是在需要大面积基板的情况下，此问题更加突出；当热通量较大时，金属基板的散热效果大幅降低；此外，由于金属基板的导电性，需要额外的绝缘层来防止短路，导致成本增加。以上问题限制了其在大功率器件中的广泛应用。1.2 陶瓷基板散热技术陶瓷材料具有优异的绝缘性能和高温稳定性，能够在高温环境下保持稳定的性能，可用作高电压、高频率的大功率器件基板材料。常用的陶瓷基板材料包括Al2O3和AlN。其中，Al2O3陶瓷具有原料来源丰富、价格低廉、绝缘性高、耐热冲击、抗化学腐蚀及机械强度高等优点，是一种综合性能较好的陶瓷基板材料，占陶瓷基板材料总量的80%以上，但是其热导率相对较低，约为36～54 W/（m·K）。AlN的热导率为320 W/（m·K），高于Al2O3，具有更高的热传导性能。ZOU等人研究了大功率发光二极管中AlN陶瓷基板的散热性能。该团队采用Y2O3作为烧结添加剂，在1 850℃下采用流延无压烧结法制备了AlN陶瓷基板，其截面形貌如图1(a）所示。由图1(a）可知，在深色的AlN晶界处均匀分布着明亮的铝酸钇晶粒，测得热导率为193 W/（m·K），抗弯强度为380 MPa。分别采用AlN和Al2O3衬底作为散热基板的高功率LED结温曲线如图1(b）所示，AlN基板的最高结温为78℃，比Al2O3基板低了42℃，远低于LED工作温度的上限，可见AlN基板的散热性能优于Al2O3基板。TSAO等人将GaN芯片分别与传统层压板RO3010和AlN衬底封装，发现基于RO3010衬底的芯片的工作温度随功率呈线性增加，而AlN衬底的芯片温度变化幅度较小，当功率为5 W时，RO3010衬底的芯片表面温度达到180℃左右，而AlN衬底的芯片表面温度低于50℃，结果表明，AlN衬底可作为大功率器件的理想散热衬底。图1 AlN基板截面SEM图及其与Al2O3作为基板的LED结温曲线 针对AlN和β-Si3N42种陶瓷基板材料的低机械强度、机械性能和热性能存在各向异性等问题，XIANG等人结合密度泛函理论和修正的DebyeCallaway模型，研究了γ-Si3N4和γ-Ge3N42种立方晶体结构陶瓷材料的晶格动力学和热导率，证实了2种晶粒尺寸为100μm的样品在室温下的热导率均高于250 W/（m·K），该研究团队认为高热导率与相对较小的非简谐振动、较大的声子速度和德拜温度有关。此外，γ-Si3N4和γ-Ge3N4因其各向异性的热导率和热膨胀系数，降低了开裂倾向，说明这2种材料非常适合用作大功率器件的散热基板。虽然陶瓷基板具备诸多优势，但是其脆性较大，容易在受到冲击时破裂，并且散热能力已经遇到瓶颈，故需要探索一种具备良好韧性和高冷却性能的散热基板。1.3 复合材料基板散热技术复合材料基板散热技术是通过特殊工艺方法将高热导率的材料与其他材料复合，形成具有良好散热性能的封装基板。石墨烯作为一种由碳原子sp2杂化形成的二维结构材料，其热导率高达约5 300 W/（m·K)，远高于传统金属材料，此外，石墨烯兼具轻量化特性和良好的柔韧性。通过将石墨烯加入陶瓷、金属和高分子材料中，制成石墨烯增强复合材料基板，能够有效降低基板质量，适用于多种复杂环境下的散热需求。然而，石墨烯基板散热技术在实际应用中仍面临一些技术挑战，例如，由于石墨烯具备优良的化学稳定性，氮化物材料在石墨烯上直接外延生长十分困难，严重挑战石墨烯与氮化物器件的集成。HAN等人首次提出在蓝宝石衬底上通过还原氧化石墨烯（r GO）来直接外延生长GaN，其制作流程如图2(a）所示。首先，通过光刻工艺在蓝宝石衬底上形成圆形光刻胶掩模阵列；利用喷涂法在蓝宝石衬底上沉积r GO；然后，使用丙酮去除光刻胶并产生孔状的r GO薄膜；最后，对r GO进行原位热还原（在H2、1 100℃下处理10 min），并使用金属有机化学气相沉积法在石墨烯表面直接外延生长GaN LED。该团队为了探究其散热性能进行了一系列热特性试验，瞬态冷却曲线及结温曲线如图2(b)(c）所示，石墨烯基板的结温和温升都是最低的，微分结构函数K曲线如图2(d）所示，采用石墨烯基板封装的LED界面热阻为17.3℃/W，较传统封装LED(26.2℃/W）降低了8.9℃/W，证明了石墨烯基板具备优良的散热性能。RHO等提出了一种合成多孔铜-石墨烯（p-G/Cu）异质结构，该异质结构具有约30μm孔径的孔和35%的孔隙率。将熔化的铜微粒聚结以形成多孔铜（p-Cu）结构，然后在1 000℃下，将CH4气体作为碳源，在p-Cu表面生长石墨烯层。图3的芯片热性能图展示了LED芯片在350 m A电流作用下运行1 h的散热情况，致密铜（黑色）、p-Cu（红色）和p-G/Cu（绿色）3种基板的热阻测量结果如图3(b）所示，由图3(b）可知，LED芯片和p-G/Cu之间的热阻和芯片表面温度较低。此外，实验结果表明，p-G/Cu的热导率高于p-Cu，尤其是在900℃的高温下，其热导率高出40%，足见石墨烯增强复合材料基板能够为高功率电子器件提供有效的散热途径。虽然复合材料基板与金属基板和陶瓷基板相比具备轻量化、良好的柔性和可塑性、优异的导热性能等优势，但是其加工难度大、成本较高且存在界面强度问题，所以在大功率器件中亟需开发新型的基板散热技术。图2 r GO嵌入式GaN-LED形成过程和不同GaN LED的瞬态热学特性 图3 从Cu微颗粒到多孔结构的转变示意图和LED芯片的热性能图 2新型基板散热技术随着大功率器件的功率密度不断提高，常规的基板散热技术已难以满足器件日益增长的散热需求。为此，研究人员开发了一系列新型基板散热技术，包括微流道散热技术、相变散热技术、热电散热技术以及先进基板散热技术。这些新型技术在常规基板散热技术的基础上，通过改善基板结构及散热方式，大幅提高了散热基板的冷却效率，为大功率器件的进一步发展提供了可靠保障。2.1 微流道散热技术微流道散热技术是一种通过在基板内部设计微小通道，利用流体流动带走热量的散热方法。其优势在于其高表面积与体积比，能够显著提高热对流效率，适用于高功率密度器件的散热需求。微流道的尺寸通常在微米级别，且尺寸越小对流换热系数越大，散热效率越高。然而，微流道散热技术也存在一些挑战，如流体流动的均匀性和通道堵塞问题，需要通过优化设计和材料选择来解决。基于微流道陶瓷基板封装的大功率LED如图4所示，TONG等人研究了微流道陶瓷基板对大功率器件散热性能的影响。该团队采用SAC305将内径为0.7 mm的微型铜管焊接于陶瓷基板背面，然后再与大功率LED模块封装。从图4(b)(c）可知，芯片表面温度随微流道内部冷却液流速的增大而降低，但是当流速增大到一定程度时，微流道衬底的散热效果变化较小。HE等人将歧管微流道和近结冷却技术应用到AlN陶瓷基板中，组成了一个三维异构集成芯片，如图5所示。实验结果表明，在正常的工作温度下，具有多种微流道的异构集成芯片表现出优异的散热能力，达到700 W/cm2。此外，团队采用灵敏度分析和多目标优化方法，利用响应面遗传算法П（NSGAП）对异质集成芯片中的歧管微流道进行优化，使芯片的总热阻降低了13.6%，最大压降降低了68.5%。这些研究为大功率集成芯片的热设计提供了宝贵的理论指导，有助于推进高性能集成电路系统的设计与开发。图4 基于微流道陶瓷基板封装的大功率LED 图5 采用歧管微流道和近结冷却技术的三维异构集成芯片 VAN ERP等人采用热沉与器件协同设计的方法，生产出一种具有Al GaN/GaN外延层的单晶硅衬底内部单片集成歧管微流道（m MMC）冷却结构，硅衬底内部同时包含水平微流道（SPMC）和歧管，如图6所示。研究结果表明，仅使用0.57 W/cm2的抽运功率就可以使器件承受超过1.7 k W/cm2的热通量，当m MMC的热通量超过1 k W/cm2时，冷却性能评估结果如图7所示，水冷却性能系数（COP）超过10 000，比SPMC增加50倍，并且努塞尔数高达16。该研究提出的歧管微流道冷却基板能够实现电子设备的进一步小型化，有可能扩展摩尔定律，并大大降低冷却能耗，提高大功率器件的能量转换效率。HANKS等人研制的微流道纳米多孔膜基板在超高热通量下展现出优异的散热性能，如图8所示。首先，在绝缘体上硅（SOI）的器件层（图中黑色部分）上，使用波长为325 nm的HeCd激光器进行干涉光刻，制备出孔径为110 nm、孔间距为200 nm的微孔图形。在硬掩模作用下，采用HBr+O2化学反应离子刻蚀方法选择性地刻蚀硅器件层至SOI的氧化层（图中灰色部分），以实现高深宽比，如图8(a）所示。用同样的方法在SOI上刻蚀出宽度为100μm、长度为10 mm的歧管通道，同时，在硅晶圆上刻蚀了宽度为2μm、高度为2μm、长度为200μm、壁厚为0.5μm的微流道，如图8(b）所示。为了防止扇形侧壁的形成，刻蚀过程中使用连续的SF6+C4F8流对沟槽进行干蚀，而不是交替使用刻蚀化学成分。最后，将SOI晶圆与硅晶圆键合在一起，如图8(c）所示。冷却液经歧管进入基板，通过膜孔的毛细作用被吸入微流道，器件升温时，冷却液从纳米多孔膜表面蒸发并带走大量的热量。结果表明，即使采用低表面张力的流体（戊烷），在0.172 mm×10 mm的面积上的热通量为（665±74)W/cm2时，温升也仅为（28.5±1.8)K，证明该方法有望实现高性能电子产品的大面积高效、高通量热管理策略。为了防止流体中污染物的积累导致散热效率降低，后续应关注防堵塞设计及更小的孔径。图6 单片集成歧管微流道冷却结构 图7 冷却性能评估结果 图8 制造过程示意图和扫描电子显微镜图像 2.2 相变散热技术相变材料散热技术是利用相变材料的热吸收特性进行散热，实现高效冷却。相变材料散热技术综合了热传导和热辐射的优点，具有较高的热容量和较低的热阻，适用于瞬时高功率器件的散热。西安交通大学与中国空间技术研究院合作，将T6061铝板的内部上、下表面制成三角形微凹槽，将石蜡等相变储热材料与铝基板结合，形成一个相变储能铝热管装置，如图9所示。实验结果表明，采用相变储能铝热管的热控策略可以使热源热量均匀扩散，降低热流密度，且相变储热容器可以吸收部分热量，保证了天线产品的安全可靠运行。但是当热源功率增大时，铝热管内部的工质液体由于回流通道的原因不能及时返回蒸发端，容易造成产品局部过热，因此对于高深宽比的微流道式铝热管，应该改善微流道结构，增强工质液体的回流冷却能力，以满足大功率器件的散热需求。此外，该研究中石蜡的相变储热约为13℃，其与铝基板组成的散热衬底可使器件稳定工作时间提高50%，因此选择相变材料时，为了发挥最大的储热能力，其熔点应该低于器件控制温度15℃以上。图9 相变储能铝热管装置及工作示意图 林佳等人针对65 W的高功耗模块，设计了一款膨胀石墨-特种石蜡复合相变散热基板，质量仅为505 g，并对其散热性能进行仿真，结果显示，功率器件工作10 min后的最高温度为91.1℃，符合国家军用标准（100℃），可见这种复合相变材料（PCM）通过相变能够吸收电子器件工作过程中产生的部分热量，为大功率器件的热管理提供参考。在此基础之上，AN等人研究了膨胀石墨含量对散热性能的影响，其结果表明，当膨胀石墨的质量分数为6%时，散热效果最佳。均温板是相变散热技术的典型代表，其具备热导率高、运行平稳、工作寿命长等优势，被广泛应用于高热通量领域。例如，在新能源领域，电动汽车中的功率模块（如IGBT模块）工作时会产生大量热量，若散热不及时会导致器件温度升高，影响其性能和寿命。均温板因其高效的热传导能力和均温特性被广泛应用于电动汽车的功率模块中。例如，特斯拉的部分车型采用了均温板技术，将热量均匀分布到散热器上，显著提高了散热效率。此外，在光伏逆变器和风力发电系统中，均温板也被用于功率器件的热管理，确保设备在高温环境下稳定运行。在通信领域，5G基站中的功率放大器和射频模块在工作时会产生大量热量，传统的散热方式难以满足高功率密度的散热需求。均温板因其高效的热传导能力和轻薄化设计，被广泛应用于5G基站的散热设计中。例如，华为在其部分5G基站产品中采用了均温板技术，显著提高了散热效率，确保了设备的稳定运行。均温板内部的冷却工质循环流动主要依靠吸液芯的毛细作用，这是影响基板相变散热的关键因素，研究人员对吸液芯的结构及制造技术做了大量研究。CHEN等人使用微铣削技术制造了一个铝制均温板，微槽吸液芯的深度和宽度分别为0.2mm和0.3 mm，微槽的表面分布着微小的晶粒状结构，如图10所示。实验结果表明，晶粒状结构能够增强吸液芯的亲水性，从而提高毛细作用，该热管的最大传热能力为160 W，最小热阻为0.156℃/W。JIANG等人利用激光加工技术在铝合金表面制造出不同间距的多尺度微槽芯，如图11所示。实验结果表明，槽间距为70μm的吸液芯结构具备最优的毛细作用。LUO等人采用仿生学和激光加工研发了一款叶子形状的微槽芯结构均温板，对比了不同的仿生结构参数对散热性能的影响，结果表明，仿生均温板的最大有效导热系数和最小热阻分别为10 500 W/（m·K）和0.094℃/W。图10 均温板和晶粒状微观结构的SEM图 图11 不同间距的多尺度微槽芯的SEM图 CAI等人通过光刻和刻蚀技术在1 mm的超薄均温板内部制造了2种不同尺寸的吸液芯，结构如图12所示。该研究团队进行了均温板1D和2D散热测试，并对均温板内部的气液两相进行数值模拟，结果显示，均温板的有效热导率超过10 000 W/（m·K）。综上所述，均温板可以作为大功率器件的有效载体，其内部吸液芯的材料和结构对其散热性能影响较大。BAI等研发了超薄水平均温板（UTVC）和超薄90°弯曲均温板（UTBVC），用于电子器件热源的散热，2种超薄均温板的结构如图13所示，2种均温板的工作原理基本相同：均温板内的冷却液在热源附近发生形核沸腾，形成的气泡在液体表面破裂，高温蒸汽在冷凝端再次液化，冷凝后的液体通过吸液芯的毛细作用被输送至热源表面，以此实现循环冷却。但是，由于UTBVC的冷凝端在直角处，凝结后的液体在重力作用下更容易向热源流动，冷却效果加强。该研究工作还探究了UTBVC的散热性能，发现50 W时可将热源温度降低23.44℃，蒸发表面的最大温差小于1℃，可见这种新型均温板具备良好的散热性能和温度均匀性。图12 超薄均温板及其内部吸液芯结构 LIU等通过氢气泡模板法和热处理方法辅助原位电沉积铜纳米颗粒的方式，制备出一种多级孔增强超铺展表面，结构如图14(b）所示，这种表面呈现出分层蜂窝孔结构，由大垂直通孔和小连接孔组成，其出色的超铺展能力可归因于垂直通孔之间的协同效应，从而降低了粘性阻力，而小连接孔则提供了足够的毛细管张力。在电流密度为0.5 A·cm-2的条件下制备的多级孔增强超铺展表面具有最佳的毛细管现象，将其用于0.33 mm厚的UTVC的吸液芯，利用气液相变实现高效散热。UTVC及其热红外成像如图14(a）所示，随着加热功率的提高，铜板温度变化较大，而UTVC保持较低的温度。测试结果表明，这种UTVC具有超高导热系数（12 121 W·m-1·K-1）和低热阻（0.1℃/W），展现其作为大功率器件散热基板的巨大潜力。图13 2种超薄均温板结构示意图 图14 一种多级孔增强超铺展表面的UTVC制造方法及其工作原理和散热效果 ZHANG等人在网格铜表面（MS）和全印刷网格铜表面（FPMS）的基础上，提出了一种基于丝网印刷技术的铜粉-网状局部印刷复合表面（LPMS），其表面结构如图15(c）所示，并对其进行散热性能测试，实验结果显示，当热通量为90.7 W/cm2时，LPMS的临界热通量和传热系数比光滑的铜表面分别提高了116.3%和644.2%。LPMS的增强池沸腾传热机制如图15(d）所示，微粉区提供强大的毛细管力，而网状区提供良好的液体渗透性，微粉区中的小气泡将网状区中的中等气泡分开，防止形成大的蒸汽膜，极大地增强了气液两相循环的散热效果。均热板的散热性能除了与吸液芯有关，还与其内部工质密切相关。工质的相变潜热决定了其在蒸发和冷凝过程中吸收和释放热量的能力，高相变潜热的工质能够在单位体积内吸收更多的热量，从而提升散热性能。工质的沸点和饱和蒸汽压决定了其工作温度范围，合适的沸点和蒸汽压可以确保工质在设备的工作温度范围内有效蒸发和冷凝，避免过热或过冷。工质的黏度影响其在均温板内部的流动速度，低黏度的工质能够更快地在蒸发端和冷凝端之间循环，从而提高散热效率。工质需要具有良好的化学稳定性，避免在长期使用中发生分解或与均温板材料发生反应，影响散热性能或导致设备损坏。常见的冷却工质包括水、乙醇、液态金属等。水因其高热导率和高相变潜热，是最常用的工质之一，其成本较低，易获取，但其工作温度范围较窄。乙醇和丙酮等有机工质则具有更宽的工作温度范围，适合在高温或低温环境下使用。其中，乙醇的沸点较低（78℃），适合中低温环境，且其黏度较低，流动性好，能够快速循环，但是相变潜热比较低，且易燃，存在安全隐患。液态金属（如镓基合金）的热导率极高，散热性能优异，适合极端高温的环境，但是成本较高，且对材料的腐蚀性较强，流动性较差，需要特殊设计。综上所述，冷却工质的选择需要综合考虑热导率、相变潜热、沸点、黏度以及化学稳定性等因素，以确保均温板在不同工作条件下都能达到最佳的散热效果。图15 3种表面结构图和LPMS的增强池沸腾传热机制示意图 2.3 热电冷却技术热电冷却技术是一种基于半导体的帕尔贴效应，利用电能实现功率器件冷却的技术。热电冷却技术的基本原理如图16所示，热电冷却器（TEC）主要由N型半导体和P型半导体以及接触面导电金属组成，当施加驱动电压时，电子会从N型半导体进入下方热端金属，从上方冷端金属进入N型半导体，由于半导体材料与导电金属之间能带结构差异会导致在接触界面形成势垒，电子跨越势垒时会在热端释放热量，冷端吸收热量；相反，在P型半导体中，空穴会在金属接触界面处结合并释放热量，在冷端处，P型半导体与金属接触界面会发生电子的跃迁，需要吸收热量，在热端及时将热量排出便可实现冷却效果。通过调节流过电偶对的电流大小，可以控制制冷效果的强弱，电流越大，制冷效果越强。此外，在保证冷端温度的情况下，TEC的热端更易于集成更有效的热沉。图16 热电冷却技术的基本原理 徐志男等人构建了TEC风冷散热基板模型，整个散热基板由TEC材料、导热硅脂和散热器组成，如图17所示。徐志男等人分析了通电电流、环境温度等因素对该模型散热效果的影响，发现通电电流存在阈值，并且环境温度升高，TEC散热基板的最佳电流减小，散热速率降低。图17 TEC风冷散热基板模型 为解决大功率LED封装散热导致的发光性能和长期可靠性下降的问题，梁仁瓅等人采用热电制冷散热基板来加强大功率LED的散热性能。该团队利用高精度陶瓷基板和纳米银膏制备出高性能TEC，其工艺流程如图18(a）所示。TEC的冷端温度最低可达-22.2℃。将LED芯片直接固晶在TEC冷端的陶瓷基板焊盘上，实现了LED芯片与TEC的集成封装，制备出LED-TEC主动散热模块。当芯片电流为1.0 A时，由于热电制冷的帕尔贴效应，LED-TEC主动散热模块可将LED芯片的工作温度从232℃降低到123℃（降温幅度为109℃），且可使其输出光功率从1 087 m W提升到1 479 m W，光功率提升幅度达到36.1%。图18 大功率LED-TEC模块制备工艺流程及无TEC结构的LED模块制备工艺流程 LI等人将高导热的3-3铁电聚合物/陶瓷复合材料（3-3PCC）与热电冷却技术相结合，制备了一种智能化高效散热基板，结构如图19(a）所示，利用继电器R1中的电流通断状态来控制3-3PCC结构的位置，并通过继电器R2来控制3-3PCC结构中的偶极子排序，共同实现芯片的散热。由图19(b)(c）可知，采用热电散热基板技术的芯片表面温度远低于在空气中冷却的芯片表面温度，从71.4℃下降到63℃。2.4 先进基板散热技术先进基板散热技术包括使用先进材料（如金刚石等）、多种散热技术协同应用等，以实现最佳的散热效果。单层石墨烯具备超高的热导率，但是其不能直接作为散热基板，必须与其他材料制成复合材料或者将石墨烯薄膜集成至其他基板表面以形成复合材料基板，导热系数大幅降低，限制了实际应用范围。金刚石由于同样具备极高的热导率，直接作为散热基板可以最大化利用其优异的散热性能，因此近年来关于金刚石散热基板的研究颇多。DING等人对比了金刚石衬底和Al2O3衬底对大功率DUV LED芯片的散热效果，研究结果如图20所示。从图20(b）可以看出，金刚石衬底的热阻为1.064℃/W,Al2O3衬底的热阻为2.293℃/W，比金刚石高出53.6%。由图20(c)(d）可知，DUV LED芯片的表面温度随电流增大而上升，且采用金刚石衬底的芯片表面温度显著低于采用Al2O3衬底的芯片。当电流为0.7 A时，采用Al2O3衬底的芯片表面温度达到201℃，而采用金刚石衬底的芯片表面温度只有158℃，比前者低43℃，可见，金刚石衬底比Al2O3衬底具有更优异的散热效果。该研究团队通过直接电镀铜工艺制备出金刚石衬底，并将其与In GaN芯片封装（工艺流程如图21所示），同时比较了AlN、SiC和金刚石3种衬底对In GaN芯片散热性能的影响。金刚石衬底的热阻为0.665℃/W，远低于AlN衬底（1.443℃/W）和SiC衬底（1.286℃/W）。随着电流的增加，芯片表面温度升高，当电流为4 A时，采用金刚石衬底的In GaN芯片表面温度比AlN衬底低了23.4℃，比SiC衬底低了16.9℃，说明采用金刚石衬底的基板具有优异的散热性能。图19 基于3-3PCC复合材料的热电冷却结构及其和空冷的散热效果对比 图20 采用金刚石衬底和Al2O3衬底的大功率DUV LED芯片散热效果对比 为了进一步提高金刚石基板的散热性能，研究人员在金刚石基板中引入了微流道技术。北京科技大学的QI等人采用激光技术在已制备的金刚石基板表面加工出深度为1 mm、宽度为0.33 mm的V形微流道，并与商用铝制微流道基板进行对比，如图22所示。该团队发现在热流密度为40～120 W/cm2、热源温度为373 K的条件下，微流道金刚石基板的传热系数为5 637.10～11 447.20 W/（m2·K），比相同规格的商用铝制微流道基板提高了37%～73%。此外，有学者受硅衬底内部m MMC的启发，研究在金刚石基板内部同时集成歧管和SPMC，展现了极致的散热功效。然而，在将金刚石和GaN等大功率器件集成时，界面存在较强的声子散射和微观缺陷，导致界面热阻增大，严重影响了热量的传递，加剧了热管理问题。美国国家科学基金会（NSF）资助了一项研究，旨在探索跨界面的电场对降低界面热阻的作用。最近的研究结果已经证明在2～4 的间隙（类似于界面缺陷中的间隙）内，电场也可以促进声子传输，从而增强传热。同时，该项目将通过基于三声子和四声子散射的第一性原理以及玻尔兹曼运输方程的最优解，在纳米到微米的尺度范围内进一步探索比金刚石更优异的导热材料。图21 金刚石衬底的制作及封装工艺流程 图22 金刚石微流道和商用铝制微流道基板对比 除了采用具有极高热导率的材料外，还可以同时在封装基板中应用多种散热方式。TIAN等人利用Comsol仿真软件，构建了一种双面封装结构的热电与液冷协同冷却基板，结构如图23(a）所示，并对比了单一热电或液冷基板的散热效果，结果表明，在热电驱动电压为1.6 V、液体流速为4 mm/s时，采用热电与液冷协同冷却基板封装的芯片工作温度为329.69 K，明显低于单一模式下的工作温度。此外，他们还探究了热电驱动电压和液体流速对芯片温度的影响，结果如图23(b)(c）所示。芯片的工作温度随驱动电压和液体流速的增加而逐渐降低，但是当流速超过一定范围时，降温幅度变缓；当驱动电压超过饱和阈值时，产生的额外热量会削弱帕尔贴效应，降低了散热能力，导致工作温度升高，因此热电驱动电压应该与流速相匹配，才能充分发挥热电与液冷协同冷却基板的散热效果。图23 双面封装结构的热电与液冷协同冷却基板及电压和流体流速对散热效果的影响 DU等人研究了辐射冷却、蒸发冷却和相变冷却以及3者串联冷却器的热管理性能，发现串联辐射/蒸发/相变的3层冷却器具备最佳的散热效果，为基板散热技术后续发展提供了一种思路。3 结束语本文针对大功率器件的散热问题，综述了目前主流的各种基板散热技术，包括金属基板、陶瓷基板、复合材料基板等常规基板散热技术和微流道散热技术、相变散热技术、热电散热技术以及其他先进的新型基板散热技术。不同基板散热技术的传热系数差异较大，以金刚石微流道技术为代表的先进散热技术凭借其超高的散热性能成为当前的研究热点。然而，基板散热技术在实际应用过程中仍面临诸多不足与挑战。首先，在材料方面，现有基板材料的热导率存在局限性，难以满足高功率设备的需求，而高性能材料（如金刚石、石墨烯）成本高昂，限制了其广泛应用。其次，制造工艺方面，高精度加工和多层结构集成的难度大，导致良品率低且生产成本高。此外，散热效率受限于热阻问题，在设计优化过程中需兼顾热管理、电气性能和机械强度，增加了技术难度。在可靠性方面，长期的热循环和环境适应性对基板的耐久性提出了更高的要求。总体而言，基板散热技术的未来发展方向主要集中在超高热导率新材料的探索、集成制造新技术的应用、界面热阻的仿真与优化以及系统级集成与优化等方面。业界将继续深入研究并不断创新，开发出更高效的散热基板，为GaN等大功率器件提供安全可靠的散热途径，进而提高产品性能与寿命，推动电子技术的进一步发展。
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