摘要: 采用气压浸渗法制备了热导率为 850 W·m-1K-1的铜-硼 /金刚石复合材料翅片热沉，测试了其在自然冷却､强迫风冷和强迫水冷三种冷却模式下的散热效果｡结果表明，热源功率越高，铜-硼 /金刚石复合材料的散热效果越显著｡在强迫水冷模式下，当加热片的输入功率为 80 W 时，使用铜-硼 /金刚石复合材料翅片热沉时加热片的最高温度比使用铜翅片热沉时低14 ℃，比使用铝翅片热沉时低 23 ℃。Icepak 热模拟发现，在强迫水冷模式下输入功率为 80 W时，与铜和铝翅片热沉相比，铜-硼 / 金刚石复合材料翅片热沉的整体温度更低且温度分布更均匀。研究结果证实，铜-硼 /金刚石复合材料是一种高效的散热材料，在大功率电子器件散热中具有广阔的应用前景。
关键词: 铜-硼 /金刚石复合材料; 热管理材料; 高热导率; 热沉; Icepak 模拟; 散热
00 引言
随着航天､通信等领域电子器件向着小型化､集成化和高功率化的趋势不断发展， 急剧增加的热通量给器件散热带来巨大挑战， 过高的温度已经成为电子器件寿命降低和性能失效的重要因素｡电子封装材料作为半导体芯片散热的主要通道， 其导热性能的优劣决定着芯片的使用效率， 从而影响电子元器件的整体性能， 因此亟待发展有效的热管理方式和高效的热管理材料来降低电子产品温度｡
翅片热沉是电子产品中一种最常见和最基础的散热器件， 将电子封装模块与翅片热沉通过焊接或者热界面材料连接在一起， 可以有效地降低电子封装模块的温度｡目前， 研究者通过理论模拟和实验研究着力优化热沉翅片的各种结构参数， 如数量､间距､高度和分布取向等｡但是， 随着各类参数实现最优化和加工要求限制， 热沉材料的导热性能开始成为限制翅片热沉散热的主要因素｡
金刚石是自然界中热导率 ( 600~2200 W·m-1K-1) 最高的材料， 而且具有较低的热膨胀系数 ( 1. 0×10-6K-1) 和较低的密度 ( 3. 52 g /cm-3) ｡因此， 金刚石作为增强相与铜､铝等金属复合可以得到高热导率､低热膨胀系数的导热复合材料｡近年来，金属/金刚石复合材料的导热性能逐渐提高， 其中铜/金刚石复合材料热导率达到930 W·m-1K-1，具有广泛的应用前景｡本文利用气压浸渗法制备铜-硼/金刚石复合材料翅片热沉，探讨高导热铜-硼/金刚石复合材料在高功率电子器件散热中的应用｡
01 实验
1.1 翅片热沉制备与表征
采用自制的气压浸渗炉制备铜-硼/金刚石复合材料翅片热沉｡首先将线性平均直径为 230 μm､热导率为 1 800 W·m-1K-1 的单晶金刚石颗粒( HHD90， 河南黄河旋风股份有限公司) 填充至设计好的石墨模具中， 然后把填充好的石墨模具放入炉体， 同时把感应熔炼制备的硼质量分数为 0. 3%的铜-硼合金放置于石墨模具上， 然后密封炉体｡先后启动外置的 2XZ-2 型机械泵 ( 上海德英真空照明设备 有 限 公 司 ) 和 分 子 泵 ( Hicube 80 Eco，PFEIFFER) ， 待 炉 内 真 空 度 优 于 0.1 Pa 时， 以20 ℃ /min 的加热速度将炉内温度升至 1150 ℃， 保温 30 min 后充入 1.5 MPa 的高纯氩气， 再保温保压30 min， 随炉冷却至室温后取样｡
采用近净成形方法获得铜-硼/金刚石复合材料翅片热沉， 翅片直径为 35 mm， 总高度为 10 mm，其中翅片高度为 6 mm， 翅片数量为 7｡同时， 加工相同尺寸的纯铜和纯铝翅片热沉作为对比， 三种翅片热沉如图 1 所示｡分别采用激光闪射仪 ( LFA427， NETZSCH) 和阿基米德排水法测试三种材料的热扩散系数 α 和密度 ρ， 利用线性混合法则计算铜-硼/金刚石复合材料的比热容 c， 通过 λ =α·ρ·c 计 算 三 种 材 料 的 热 导 率 λ｡ 采 用ρc =ρdφd+ρm ( 1-φd) 计算铜-硼/金刚石复合材料中金刚石体积分数 φd， 其中 ρc､ρd和 ρm分别为复合材料､金刚石和铜的密度｡经计算， 本文制备的铜-硼/金刚石复合材料中金刚石体积分数为 67%｡使用热膨胀仪 ( DIL 402C， NETZSCH) 测试铜-硼/ 金刚石复合材料的热膨胀系数｡
图 1 三种翅片热沉的实物图
分别使用 400 目､600 目､1000 目和 2000 目的 SiC 砂纸对三种翅片热沉表面进行抛光， 随后使用激光扫描共聚焦显微镜 ( OLS 4100， OLYMPUS)测试三种翅片热沉抛光后的表面粗糙度｡使用场发射扫描电子显微镜 ( FESEM， SUPRA 55， ZEISS)的背散射模式观察铜-硼/金刚石复合材料表面形貌｡
1.2 散热效果测试
采用直流电源驱动的商用大功率陶瓷加热片作为热源， 模拟 LED 和 IGBT 等大功率模块， 通过改变电源电流和电压调节加热片的功率， 使用 K 型热电偶 ( 100 ℃下的测试精度为 0.5 ℃) 监控加热片的表面温度｡为了减小界面热阻， 使用导热系数为1 W·m-1K-1的硅酮导热胶填充加热片和翅片热沉之间的微间隙， 具有粘结性能的硅酮导热胶还可以将加热片固定在翅片热沉上｡本文着重研究铜-硼/金刚石复合材料､铜和铝三种翅片热沉分别在自然冷却､强迫风冷和强迫水冷三种冷却模式下的散热效果， 三种冷却模式的散热测试平台如图 2 所示｡在强迫风冷模式下， 使用额定电压为 12 V 的直流轴流风扇 ( D02X，NIDEC) 作为散热器; 在强迫水冷模式下，水作为冷却介质，流速为 8 cm3·s-1; 三种冷却模式下的环境温度均控制为 20 ℃｡
图 2 三种冷却模式的散热测试平台
1.3 Icepak 热模拟
Icepak 作为一款专业的热模拟软件， 具有丰富的物理模型和强大的解算功能， 本文使用 Icepak 对上述测试平台进行热模拟｡为减少计算工作量､减小模拟难度， 对上述模型进行如下假设｡①气体采用 Bosussinesp 假设， 即认为密度是温度的线性函数， 计算区域内原始温度为 20 ℃，气体是空气，气压为 101 325 Pa｡②考虑重力的作用， 设置 Y 轴正方向为重力方向｡③在自然冷却和强迫风冷模式下，设定 Cabinet 边界条件为打开， 与外界进行能量交换; 在强迫水冷模式下， 设定 Cabinet 边界条件为默认， 忽略边界与外界的能量交换｡④由于加热片的最高温度低于 150 ℃， 辐射散热忽略不计｡三种冷却模式下的 Icepak 热模拟模型如图 3 所示｡通过测试和模拟发现， 加热片上表面的中心点温度最高，因此将加热片上表面中心点温度作为实际测试和理论模拟的温度监测点｡
图 3 三种冷却模式的散热测试平台的 Icepak 热模拟模型
02 结果与讨论
2.1 翅片热沉的结构与性能
由图 4 (a) 所示的复合材料表面形貌 SEM 照片中可以发现，铜-硼/金刚石复合材料结构致密，表面无明显孔洞，金刚石在铜基体中分布均匀｡对铜-硼/金刚石复合材料､铜和铝三种材料的表面粗糙度､密度､热导率和热膨胀系数进行测试，结果如表 1 所示｡
从表 1 可以看出， 铜和铝的表面粗糙度均小于 1 μm， 而复合材料的表面粗糙度则约为5 μm｡相比于铜和铝， 铜-硼/金刚石复合材料表面粗糙度更高，这是因为抛光后更硬的金刚石位置更加突出， 如图 4 ( b) 所示｡铜-硼/金刚石复合材料的密度 ( 5.23 g·cm-3) 远低于纯铜的，热导率( 850 W·m-1K-1) 约为纯铜的 2.1 倍和纯铝的3.5 倍，热膨胀系数 ( 4.9×10-6K-1) 远低于纯铜和纯铝的，与半导体材料相匹配｡由于空气的热导率( 0. 025 W·m-1K-1) 很低，电子器件中不同部件之间的缝隙数量和体积对热量的传输至关重要，减小铜-硼/金刚石复合材料的表面粗糙度将有利于电子器件的散热｡即便如此，本文在铜-硼/金刚石复合材料表面粗糙度远大于铜和铝的条件下比较三种翅片热沉的散热效果，铜-硼/金刚石复合材料仍然能显示出其散热优势｡
图 4 铜-硼/金刚石复合材料的表面形貌
表 1 三种材料的表面粗糙度､密度､热导率和热膨胀系数
2.2 自然冷却散热
自然冷却模式下输入不同功率 ( P) 时加热片最高温度 ( tmax) 的实测值与模拟值如图 5 所示｡从图 5 可以看出， 加热片最高温度的实测值和模拟值均随功率的增大而线性增大， 而且模拟值低于实测值， 这是由于在 Icepak 模拟中假设加热片､热界面材料和热沉三者之间是理想界面， 热量传递更快｡对于不同材料热沉， 加热片最高温度的模拟值非常接近， 然而实测值相差较大｡使用复合材料热沉时的加热片最高温度低于使用铝热沉时的， 但是高于使用铜热沉时的， 这可能是由于复合材料的表面粗糙度更大， 增加的界面热阻部分抵消了增加的热导率的贡献， 导致使用复合材料热沉时的加热片最高温度高于使用铜热沉时的加热片最高温度｡Icepak 模拟结果显示， 当热源功率较低时， 使用三种材料热沉时的加热片最高温度没有明显差别｡
图 5 自然冷却模式下加热片最高温度的实测值与模拟值
2.3 强迫风冷散热
强迫风冷模式下输入不同功率时加热片最高温度的实测值与模拟值如图 6 ( a) 所示｡当输入功率为 2 W 和 4 W 时， 使用复合材料热沉和铜热沉时的加热片最高温度基本相同; 但是随着功率的增大， 使用复合材料热沉时的加热片最高温度明显低于使用铜热沉时的， 而且两者之间的差距越来越大， 说明功率越大复合材料的散热效果越明显｡从图 6 ( b) 所示的 Icepak 模拟截面风速矢量图可以看出， 翅片热沉靠近风扇的位置风速更快， 而靠近加热片的位置风速非常小， 说明加热片中的热量先通过热传导传递到翅片热沉再通过空气对流传递到环境｡与自然冷却结果不同的是， 强迫风冷模式下加热片最高温度的 Icepak 模拟值大于实测值， 这可能是由于模拟中使用的风扇特性曲线与实际情况存在差别， 无法准确模拟风扇的实际冷却效果｡
图 6 强迫风冷模式下翅片热沉的散热效果
2.4 强迫水冷散热
强迫水冷模式下输入不同功率时加热片最高温度的实测值与模拟值如图 7 所示｡实测和模拟结果表明， 随着输入功率的增大加热片的最高温度升高， 与自然冷却和强迫风冷模式相比， 使用复合材料热沉时的加热片最高温度与使用铜和铝热沉时的差距显著增大， 复合材料的散热优势越来越明显｡特别是在 80 W 输入功率下， 使用铜-硼 /金刚石复合材料热沉时的加热片最高温度比使用铜热沉时的低 14 ℃ ， 比使用铝热沉时的低 23 ℃｡图 8 为不同热沉的 Icepak 模拟截面温度分布｡
图 7 强迫水冷模式下加热片最高温度的实测值与模拟值
图 8 不同热沉的 Icepak 模拟截面温度分布
由图 8 可以看出，在 80 W 输入功率下， 相比铝和铜热沉， 复合材料热沉的整体温度更低且纵截面温度分布更加均匀，说明复合材料的导热效率更快， 更有利于加热片的热量传递到冷却介质｡
03 结论
搭建了三个测试平台测试了高导热铜 -硼 /金刚石复合材料在自然冷却､强迫风冷和强迫水冷三种冷却模式下的散热效果， 结合 Icepak 模拟软件分析了热量在铜-硼 /金刚石复合材料热沉中的传递和分布， 并与纯铝和纯铜热沉进行了对比｡研究表明， 随着热源功率的增大和加热片温度的升高，铜-硼 /金刚石复合材料的散热效果更加明显｡由实测结果可知， 在强迫水冷散热模式下， 当加热片输入功率为 80 W 时， 使用铜-硼 /金刚石复合材料热沉时的加热片最高温度比使用铜热沉时低 14 ℃ ，比使用铝热沉时低 23 ℃｡Icepak 模拟结果证实，当在强迫水冷模式下输入功率为 80 W 时， 与铜和铝热沉相比， 铜-硼 /金刚石复合材料热沉的整体温度更低且温度分布更均匀｡本文研究结果证明，铜-硼 /金刚石复合材料是一种理想的散热材料，尤其是在热源功率较高时散热效果更加突出｡
文献信息 DOI: 10.13290 /j.cnki.bdtjs.2021.07.010
