芯耀
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近年来，随着高性能计算、5G/6G 通信、第三代半导体功率器件以及雷达、激光等系统持续向高功率密度、小型化方向发展，芯片散热问题正从“整体温控”演进为“局部热点管理”。在 GaN HEMT、SiC 功率模块等器件中，栅下或结区的热点尺寸往往只有亚毫米甚至微米级，但对应的热流密度却可达到数百乃至上千 W/cm²，传统散热方案在这一尺度下面临明显瓶颈。
一方面，硅及常规金属基散热材料的热导率有限，在高热流密度、小热源条件下，扩散热阻迅速放大；另一方面，即便引入微通道液冷结构，如果基底材料本身导热能力不足，也难以将局部热量高效引入流体换热区域。因此，单纯依靠“结构强化”已难以满足下一代器件的散热需求。
在此背景下，兼具超高热导率与优异物理化学稳定性的金刚石材料被引入微通道散热体系。其核心思路并非简单地将微通道刻蚀在金刚石上，而是利用金刚石在热点尺度下极低的扩散热阻特性，与微尺度流动换热机制协同工作，从而实现对超高热流密度热点的近结区冷却。近几年，围绕全金刚石微通道、金刚石复合材料微通道以及相关加工与界面技术，涌现出一批代表性的研究成果，部分盘点如下：
北京大学王玮、张驰团队联合北京遥感设备研究所、北京科技大学团队
北京大学王玮、张驰团队联合北京遥感设备研究所，北京科技大学魏俊俊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。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
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。研究成果以“Fully diamond-based embedded manifold microchannel heat sink: Achieving ultra-high heat flux cooling” 为题，发表于《International Journal of Heat and Mass Transfer》期刊。
有研集团有限公司有色金属与加工国家重点实验室
有研集团有限公司有色金属与加工国家重点实验室孙明美、郭宏团队为破解高功率芯片近结区散热难题，以金刚石铜（DC）复合材料（含 DC60、DC75 两种型号）与钼铜（MoCu50）为基板，通过去离子水流动沸腾实验结合可视化技术，验证了金刚石铜材料在散热性能上的突破性优势。相较于 MoCu50 散热器，金刚石铜散热器的传热性能实现质的飞跃。其中 DC75 表现最为突出，在最高热流密度达 4012.14kW/m² 时，仍能保持散热优势，热传系数峰值达 127.48kW/(m²・K)，是 MoCu50 的三倍，且全程未出现干涸现象 —— 这意味着即使在芯片高负载运行的极端场景下，DC75 也能稳定带走热量，避免器件因局部过热失效。该研究首次将第四代热管理材料（金刚石铜）与开放式微通道流动沸腾技术结合，验证了 “材料特性 - 结构设计 - 传热机制” 协同优化的可行性。相较于传统散热器，金刚石铜微通道散热器在高热流密度适应性、运行稳定性、半导体材料兼容性上均实现突破，尤其适用于航空航天雷达、卫星通信、超级计算中心等对散热要求严苛的场景，为下一代高功率芯片热管理方案提供了关键技术支撑。研究成果以“Subcooled flow boiling in diamond/Cu microchannel heat sinks for near-junction chip cooling”为题发表在《Case Studies in Thermal Engineering》期刊。
南京理工大学联合中国工程物理研究院团队
南京理工大学胡定华联合中国工程物理研究院微系统与太赫兹研究中心Quanfeng Zhou团队，提出了一种基于化学气相沉积金刚石微通道的异质材料集成冷却方案（CVD-DMCs），并通过模拟和实验相结合的方法系统地研究了其在超高热流条件下的传热性能。对矩形、圆形和菱形等不同肋结构进行了对比模拟分析，确定菱形肋为最佳肋结构，肋深（D）和肋宽（W）为关键几何参数，并制作了一种大面积双多点小面积Pt膜非均匀多热源测试芯片，通过AuSn共晶键合，到安装在AlN衬底上的飞秒激光加工的CVD-DMC结构上，形成完整的测试模型。在144 mL/min流速，1100 W/cm²热通量的极端条件下的实验结果（双大面积）和11000 W/cm²（多点小区域）证明了D为0.5 mm的菱形肋结构，在本研究所研究的结构中，0.15 mm的W获得了最佳的冷却性能。将模具温度降低到108 ℃，压力降（ΔP）进一步的分析表明，优化肋宽比肋深更能有效地强化换热，同时减小流动阻力。验证了多点小面积集成芯片级局部加热和温度测量的可行性和准确性，揭示了CVD-DMC肋结构对热性能的关键影响，提出了一种适用于高热流密度电子器件的高效集成冷却设计方案。研究成果“Experimental and numerical study of CVD diamond microchannel cooling for high heat flux heterogeneous material-integrated dies”为题发表在《International Journal of Heat and Mass Transfer》
东南大学团队
东南大学许波团队提出了一种基于金刚石微通道散热器（MHS）的近结冷却技术，该技术采用创新的腰形针翅与圆柱形和翼型相结合，研究了边界条件和几何尺寸对传热的影响。结果表明，低质量流量时，微通道内会产生热积聚，加剧热点温度的升高，而针翅的结构参数对热点温度的影响有限，但对流动和传热性能有显著影响，为使传热过程中的不可逆损失最小化，传热强化效果最大化，推荐的参数为：翼片角度为45 °，短轴长度为7 μm，距原点中心的距离为50 μm，以及腰形针翅数为16。值得注意的是，与毫米级MHS相比，微米级MHS表现出33.3%的散热极限增加，这归因于尺寸效应。此外，复合针翅通过流动加速和二次流诱导增强传热。这种方法实现了前所未有的MHS散热极限7300 W/cm²，该系列产品的传热系数提高到661.6 kW/m²·K，压降降低到132.4 kPa，总热阻降低到0.0059 K cm²/W，具有国际领先的性能。为氮化镓（GaN）功率器件的超高热流热管理提供国际领先方案。研究成果“Micrometer-scale composite pin-fin diamond microchannel heat sink for near-10-kilowatt-level chip thermal management”为题发表在《Energy》
华中科技大学团队
华中科技大学辛国庆团队提出基于金刚石/铜复合材料的微通道散热器解决方案；通过 “W 涂层金刚石颗粒 + 真空退火” 优化界面（形成 W/WC/W₂C 过渡层），制备出导热率达807 W/m·K的 金刚石/铜基底；再通过活性金属钎焊将精密铜微通道（200 μm 宽）与基底集成，突破金刚石/铜的界面热阻和加工难两大瓶颈。测试表明，该散热器相比纯铜散热器热阻降低 39%（200 W 时达 0.035 K/W），应用于 SiC 器件时，在 200 W 功率下峰值结温降低 12.3℃，为高功率电子设备热管理提供可规模化的技术路径。研究成果“Diamond/Cu composites microchannel heat sink for effective thermal management of SiC power devices ”为题发表在《Applied Thermal Engineering》。
图.金刚石/Cu基板微通道板的制造工艺示意图。
哈尔滨工业大学团队
哈尔滨工业大学朱嘉琦团队针对功率集成电路中的热点散热问题及大尺寸单晶金刚石的生长难题，提出一种基于金刚石单晶-多晶混合微通道的创新散热策略，实现热点定向散热。数值模拟结果表明，在不同热流密度区域分布散热材料可显著改善整体温度均匀性。与其他两种散热器相比，金刚石单晶-多晶混合微通道散热器的散热性能分别提升61.8%和16.9%。该优势在高热流密度与大尺寸热点条件下更为显著。当热点热流密度达1600 W/m·K且尺寸为5 mm×5 mm时，混合散热器的表面最高温度仅为336.5 K和328.7 K，远低于器件失效温度。通过微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）技术，获得了厚度达390 μm的高质量键合层，并制备出金刚石单晶-多晶混合微通道散热器。研究成果“Diamond single crystal-polycrystalline hybrid microchannel heat sink strategy for directional heat dissipation of hot spots in power devices ”为题发表在《Diamond and Related Materials》。
太原理工大学团队
太原理工大学团队提出一种制备金刚石微通道的新策略：在具有钼成核层的微沟槽石墨基底上沉积金刚石微通道。通过实验与数值模拟相结合，研究了微沟槽宽度对沉积环境、结构及金刚石生长过程的影响。结果表明：微沟槽底部的中心区域电场强度最低，且随微沟槽宽度增加而逐渐升高，这种变化影响着微沟槽内的金刚石沉积。随着微沟槽宽度增大，等离子体中碳原子的沉积形态由sp²转变为sp³。沉积于微沟槽底部的薄膜形态依次演变为：石墨烯纳米片→石墨与金刚石混合物→高度结晶的金刚石。金刚石薄膜形态经历了从石墨与纳米晶金刚石共存的球状团簇，到具有矩形顶部的(110)取向微晶金字塔晶粒，再到(111)取向全锥金字塔晶粒的演变。当微沟槽宽度超过630μm时，在微沟槽顶部也可获得类似的连续致密金刚石薄膜。研究成果“Growth of diamond microchannels on micro-grooved graphite substrate by MPCVD ”为题发表在《Diamond and Related Materials》。
西安交通大学团队
西安交通大学团队采用激光蚀刻与外延生长技术，探索了具有超高长宽比的封闭式单晶金刚石（SCD）微通道板的制备工艺。通过水导激光在优化蚀刻参数下精细蚀刻SCD基板，形成具有陡峭光滑侧壁的深沟槽。随后在刻蚀后的SCD衬底上，通过微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）技术于适宜工艺条件下实现金刚石外延生长，最终制备出微通道深度达2075.2 μm、长宽比达30.73的封闭式SCD微通道板。研究了外延生长过程中微通道板的闭合现象，并分析了闭合机制。最终验证了微通道板的连续性。成功制备的SCD微通道板具有规则形状和均匀分布的微通道结构。研究成果“Fabrication of ultra-high-aspect-ratio single-crystal diamond microchannel plate by laser etching and MPCVD epitaxial growth ”为题发表在《Diamond and Related Materials》。
北京科技大学团队
北京科技大学李成明、魏俊俊团队通过氧终止（OT）、氢终止（HT）和氟终止（FT）三种表面改性工艺对金刚石微通道进行处理。参照实际情况，经热流处理后，HT-金刚石微通道的疏水性降低，导致表面传热系数增加11%。OT-金刚石的亲水性显著降低后趋于稳定，传热系数下降7%。FT-金刚石表现最稳定：其疏水性在初期轻微下降后保持恒定，对应表面传热系数提升14%。通过X射线光电子能谱（XPS）评估了不同终端处理的表面键合状态。结果表明，尽管F端具有更稳定的疏水性，但其表面温度比亲水端高5℃，传热系数从9500 W/(m2K)降至6000 W/(m2K)，降幅近58%。相关成果“Surface termination of the diamond microchannel and single-phase heat transfer performance ”为题发表在《International Journal of Heat and Mass Transfer》。
最后
总体来看，金刚石微通道技术已经在实验层面充分证明了其在超高热流密度散热场景下的显著优势，尤其是在小尺寸热点、近结区冷却等传统方案难以覆盖的应用中，展现出突破物理极限的潜力。从全金刚石结构到金刚石复合材料路线，再到微通道加工与界面工程的持续优化，该领域的研究正逐步从“性能验证”走向“工程可行性探索”。
但同时也需要看到，金刚石微通道距离大规模工程应用仍面临材料成本、加工一致性、系统集成以及长期可靠性等现实挑战。未来，其能否在 GaN、SiC 等高功率器件，乃至数据中心与空天电子系统中实现落地，仍有赖于材料、工艺与封装层面的协同推进。可以预期的是，随着高功率密度电子系统需求的持续释放，金刚石微通道有望成为先进热管理技术体系中一条不可忽视的重要方向。
