電氣化Electrification，是社會(huì)脫碳的關(guān)鍵，但在電氣系統(tǒng)管理中，不斷增加的功率密度，需要開(kāi)發(fā)新的熱管理技術(shù)。其中，一種可行的方法是，使用單片金屬基散熱器monolithic-metal-based heat spreaders，以減少電子器件熱阻和溫度波動(dòng)。然而，這種單片金屬散熱器的導(dǎo)電性，使其難以如愿。

近日，美國(guó) 伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）Nenad Miljkovic團(tuán)隊(duì)Tarek Gebrael，Jiaqi Li等，在Nature Electronics上發(fā)文，報(bào)道了多器件共設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)co-designed electronic systems ，該系統(tǒng)將銅直接單片集成在電子設(shè)備上，用于散熱和溫度穩(wěn)定。

首先用聚（2-氯-對(duì)二甲苯） poly（2-chloro-p-xylylene） （聚對(duì)二甲苯C，parylene C） 電絕緣層涂覆器件，然后，再用銅保形涂層涂覆器件。這允許銅非常接近發(fā)熱元件，從而消除了對(duì)熱界面材料的需要，并且與現(xiàn)有技術(shù)相比，提供了優(yōu)異的冷卻性能。

研究表明，以氮化鎵功率晶體管為例，該方法可用于工作電壓高達(dá)600V電子系統(tǒng)，并在靜態(tài)空氣中，提供2.3cm2kW–1低結(jié)至環(huán)境比熱阻low junction-to-ambient specific thermal resistance，在靜態(tài)水中，提供0.7cm2kW–1低結(jié)至環(huán)境比熱阻。

High-efficiency cooling via the monolithic integration of copper on electronic devices

通過(guò)將銅單片集成在電子設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)高效冷卻。

鍍銅散熱器制造

測(cè)試配置圖片

與銅單片集成EPC2034熱性能

散熱分析

涂層對(duì)熱機(jī)械可靠性的影響

該項(xiàng)研究，在靜止空氣和靜止水中，測(cè)得低結(jié)至環(huán)境熱阻 low junction-to-ambient thermal resistances表明，涂層散熱器coated heat spreaders，可以在電氣系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)高效且廉價(jià)的被動(dòng)冷卻，從而節(jié)省冷卻能耗，并提高產(chǎn)品性能。

介電流體Dielectric fluids，如礦物油和氫氟醚hydrofluoroethers，因其介電性質(zhì)，廣泛用作浸沒(méi)式冷卻劑。水提供更高的傳熱系數(shù)和熱通量，但其冷卻性能，受到其導(dǎo)電特性的影響。

該銅涂層方法，因其聚二甲苯層的絕緣特性，能夠在水中，進(jìn)行浸沒(méi)式冷卻。該方法，還可以設(shè)計(jì)為在單相冷卻狀態(tài)下運(yùn)行，冷卻電子設(shè)備，并消除電介質(zhì)冷卻劑時(shí)常見(jiàn)的沸騰機(jī)械應(yīng)力。

鑒于銅涂層是平面的，因此其不會(huì)干擾服務(wù)器模塊的堆疊。與標(biāo)準(zhǔn)冷卻方法相比，這種材料集成，可產(chǎn)生更高的系統(tǒng)功率密度。實(shí)驗(yàn)表明，盡管散熱片heat sink和223μm厚銅涂層，呈現(xiàn)相似的熱阻，但銅涂層的單位體積功率比散熱片高740%。這種功率密度的增加，是因?yàn)橥繉铀嫉捏w積相對(duì)于散熱器所占的體積減少了89%。

基準(zhǔn)測(cè)試表明，562μm厚銅涂層，在空氣和水中分別呈現(xiàn)10.1和2.7cm3kW–1體積熱阻（r″），需要零冷卻功率，并且優(yōu)于現(xiàn)有的空氣強(qiáng)制對(duì)流和間接單相液體強(qiáng)制對(duì)流冷卻。

增材制造的最新發(fā)展，已經(jīng)可以通過(guò)在半導(dǎo)體器件上直接沉積金屬，從而制備導(dǎo)熱界面材料 thermal interface material TIMs 。這些增材制造技術(shù)，可以產(chǎn)生熱優(yōu)化解決方案，但由于電氣短路風(fēng)險(xiǎn)，不能同時(shí)涂覆多個(gè)器件。這一挑戰(zhàn)阻礙了增材制造，實(shí)現(xiàn)涂層散熱器的體積緊湊性，除非應(yīng)用電絕緣層。

審核編輯：郭婷