东南大学许波团队：突破极限，金刚石散热新技术

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研究背景

随着电子设备工作频率提升，雷达、氮化镓（GaN）功率器件等热流密度需求已达5-10kW/cm²)，传统微通道散热器（MHS）散热能力仅<2 kW/cm²，存在严重热失控风险。

传统方案局限：基材硅、铜等传统基材导热率低（硅 148W/(m・K)、铜～400W/(m・K)），无法快速传导高热流；结构：毫米级微通道散热能力仅300W/cm²，且针翅单一导致流场扰动不足；性能：现有 MHS 热阻普遍>0.03 K. cm²/W，无法满足近结冷却的低阻需求。

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研究成果

近日，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》。

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图文导读

图8.针翅结构对微通道温度的影响。

图9.工况和鳍片结构对MHS水力性能的影响。

图10.用于数据简化的热阻网络的截面图。

图11.几何形状对热阻的影响。

图12.微通道散热器的COP随翅片结构参数的变化。

图13.热性能系数随微通道翅片几何形状的变化。

图16.不同入口温度下的热性能分析。