隨著3D芯片集成及高功率邏輯/射頻器件的快速發(fā)展，熱管理面臨嚴(yán)苛的結(jié)溫限制，尤其當(dāng)局部熱點(diǎn)熱流密度超過(guò)1 kW/cm2時(shí)，傳統(tǒng)散熱方案已無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際需求，業(yè)界亟需熱導(dǎo)率高于純銅、高性?xún)r(jià)比的均熱板（Heat spreaders）。金剛石/銅（D-Cu）復(fù)合材料的理論熱導(dǎo)率可突破1000 W/mK，是理想的高熱導(dǎo)散熱材料，但傳統(tǒng)燒結(jié)與熔滲工藝需極高溫度和壓力，且因液態(tài)銅不潤(rùn)濕金剛石易產(chǎn)生缺陷；而室溫常壓電鍍工藝可實(shí)現(xiàn)致密結(jié)構(gòu)并在芯片熱點(diǎn)原位生長(zhǎng)，有效解決制造痛點(diǎn)。
當(dāng)前預(yù)測(cè)復(fù)合材料熱性能的理論模型（如DEM模型）高度依賴(lài)金剛石顆粒固有熱導(dǎo)率與界面熱邊界傳導(dǎo)率（TBC）兩大參數(shù)，但金剛石熱導(dǎo)率具顯著尺寸依賴(lài)性，且文獻(xiàn)中界面熱導(dǎo)率數(shù)值差異極大（48 MW/m2K~900 MW/m2K），導(dǎo)致模型精度不足。基于此，本研究采用時(shí)域熱反射（TDTR）技術(shù)，首次對(duì)尺寸約70 μm和20 μm的單晶金剛石微粒，實(shí)現(xiàn)固有熱導(dǎo)率與界面熱邊界傳導(dǎo)率的“直接獨(dú)立測(cè)量”，通過(guò)評(píng)估顆粒中心與邊緣的尺寸及位置效應(yīng)，精準(zhǔn)量化其熱物理性能，為下一代D-Cu復(fù)合材料設(shè)計(jì)優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。
實(shí)驗(yàn)將尺寸約70 μm（大顆粒）與20 μm（小顆粒）的單晶金剛石微粒固定于硅基板，蒸鍍76.2 nm厚鋁（Al）層作為T(mén)DTR測(cè)試傳感器層，保障測(cè)試信號(hào)穩(wěn)定準(zhǔn)確。測(cè)試采用82 MHz脈沖激光，泵浦光（Pump）直徑4.3 μm、探測(cè)光（Probe）直徑2.9 μm，調(diào)制頻率設(shè)定為2 MHz以提升靈敏度，使熱波穿透更深材料捕捉精準(zhǔn)熱傳導(dǎo)信號(hào)。研究發(fā)現(xiàn)兩種擬合方法具明確敏感性分工：“比值擬合（Ratio fitting）”在短時(shí)間延遲（<1000 ps）下對(duì)金剛石熱導(dǎo)率（k_dia）敏感度極高，“同相信號(hào)擬合（In-phase/X fitting）”則在長(zhǎng)時(shí)間延遲（~4000 ps）下對(duì)鋁-金剛石界面熱導(dǎo)（G_Al-dia）敏感度更優(yōu)，這一突破源于2 MHz低頻調(diào)制增加熱波穿透深度，有效區(qū)分顆粒本體與界面熱傳導(dǎo)信號(hào)差異。
測(cè)試明確揭示金剛石微粒熱導(dǎo)率的顯著尺寸依賴(lài)性與空間位置差異：大顆粒（約70 μm）中心熱導(dǎo)率為1302.8±304.3 W/mK，邊緣則銳減至814.31±140.9 W/mK，下降38%；小顆粒（約20 μm）中心熱導(dǎo)率僅626.91±70.6 W/mK（遠(yuǎn)低于大顆粒），邊緣進(jìn)一步降至295.54±25.0 W/mK，下降幅度高達(dá)53%。邊緣熱導(dǎo)率的急劇抑制，一方面源于顆粒邊緣靠近晶界引發(fā)強(qiáng)聲子邊界散射，另一方面可能因TDTR標(biāo)準(zhǔn)2D徑向熱傳導(dǎo)擬合模型未充分考慮金剛石微粒有限幾何形狀的絕熱邊界條件，引入額外誤差。在界面熱導(dǎo)方面，多數(shù)測(cè)試點(diǎn)（大顆粒中心/邊緣、小顆粒中心）的鋁-金剛石熱邊界傳導(dǎo)率穩(wěn)定在187.2±57.3 MW/m2K至191.0±50.4 MW/m2K之間，僅小顆粒邊緣出現(xiàn)262.9±19.6 MW/m2K的異常值。該參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差較大（誤差約50 MW/m2K），核心原因是金剛石熱導(dǎo)率極高，導(dǎo)致長(zhǎng)延遲時(shí)間區(qū)域（提取界面熱導(dǎo)）的TDTR信號(hào)呈指數(shù)級(jí)衰減，顯著降低測(cè)量敏感度。
斯坦福大學(xué)通過(guò)微觀TDTR實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)完成不同尺寸金剛石微粒局部熱導(dǎo)率及鋁-金剛石界面熱邊界傳導(dǎo)率的直接測(cè)量。研究證實(shí)，金剛石微粒局部熱導(dǎo)率高度依賴(lài)顆粒尺寸與測(cè)量位置（中心vs邊緣），這一發(fā)現(xiàn)有效解釋了文獻(xiàn)中D-Cu復(fù)合材料宏觀熱導(dǎo)率差異巨大的核心原因；顆粒邊緣38%~53%的熱導(dǎo)率抑制效應(yīng)，為微觀聲子輸運(yùn)理論完善及金剛石顆粒選型提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。針對(duì)測(cè)量不確定性較高的問(wèn)題，提出兩大改進(jìn)方向：一是引入3D熱傳導(dǎo)仿真，區(qū)分聲子邊界散射物理效應(yīng)與幾何邊界條件帶來(lái)的模型誤差；二是將鋁傳感器層厚度從76.2 nm增至180 nm，提升長(zhǎng)延遲時(shí)間信號(hào)強(qiáng)度，在不影響熱導(dǎo)率測(cè)量精度的前提下改善界面熱導(dǎo)測(cè)量準(zhǔn)確性。本研究對(duì)金剛石微粒熱物理特性的精準(zhǔn)量化，將直接推動(dòng)可原位電鍍的下一代高熱導(dǎo)率銅-金剛石均熱板研發(fā)，為3D芯片、高功率半導(dǎo)體器件極端散熱提供終極解決方案。
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