紫外皮秒激光制备Cu/diamond复合微通道散热器及其强化热管理研究

《Case Studies in Thermal Engineering》：Ultraviolet picosecond laser fabrication of Cu/diamond composite microchannel heat sinks for enhanced thermal management

　　

金刚石颗粒增强铜基复合材料（Cu/diamond composites）是高功率电子封装的理想散热材料，但其显著的相异质性使得制备几何形貌可控且热性能可靠的微通道具有挑战性。为应对这一设计—制造耦合难题，本研究构建了集热力评价与皮秒激光加工于一体的集成框架。首先开展共轭传热仿真，参数化评估通道宽度、深度及通道间距对热力性能的影响，并综合考虑热性能、水力阻力、结构需求与制造可行性，选定实用目标几何。为实现该目标几何，建立了瞬态局部烧蚀模型，以阐明Cu/diamond复合材料在激光辐照下的相依赖响应。仿真揭示铜基体优先烧蚀与金刚石颗粒局部凸起现象，解释了获得均匀通道轮廓的困难。随后开展单因素实验，量化激光功率、扫描次数、扫描速度、重复频率及离焦量对沟槽宽度与深度的影响。进一步构建粒子群优化—反向传播（PSO-BP）神经网络描述加工参数与沟槽尺寸间的非线性关系，深度与宽度的最大相对预测误差分别为9.0%与1.6%，为确定合适加工窗口提供定量依据。基于热力与制造的综合考量，采用宽度0.25 mm、深度1.2 mm、通道间距0.25 mm的实用微通道构型。继而实施结合边缘优先扫描与边缘修整的两阶段多线扫描策略，制备出平均宽度255 μm、深度1207 μm、侧壁锥度低于2°的微通道。对流换热实验进一步表明，所制备Cu/diamond散热器在600 W/cm²热流密度、总冷却液流量2.0 L/min条件下，将峰值热源温度维持在160 °C以下。上述结果展示了从热力几何评价到可控激光制造及实验性能验证的Cu/diamond复合微通道散热器集成路线。

随着电子与信息技术产业的快速发展，电子芯片、航空航天雷达收发组件等关键器件持续向高集成度、高功能性能与轻量化架构演进，但集成度与功率密度的同步提升不可避免地加剧了运行过程中的热量积聚，过高的局部温度与显著的温度梯度会严重降低输出功率与运行效率，制约高性能电子封装的发展并损害系统长期可靠性，因此提升热管理部件的散热能力成为关键研究重点。理想热管理材料需同时具备高热导率与匹配相邻封装材料的热膨胀系数，Cu/diamond复合材料将金刚石优异的热导率与铜基体良好的热学与力学性能相结合，热导率可接近600 W/(m·K)，兼具高比强度与优异耐磨性，是先进电子封装极具前景的候选材料。然而，赋予其优异性能的超硬增强相与固有微观结构异质性，同时对高质量微通道结构的精确制造构成重大挑战。作为典型金属基复合材料，Cu/diamond复合材料微观结构异质性显著，其难加工性主要源于超硬金刚石增强相与韧性铜基体之间严重的力学性能失配，常规接触式车削、铣削、钻削与磨削过程中，弥散分布的金刚石颗粒在刀具—工件界面引发严重磨粒磨损与冲击载荷，超硬颗粒加剧刀具快速磨损、刃口崩裂与颗粒诱导表面缺陷，而高韧性铜基体易发生严重塑性变形与材料涂抹而非洁净可控断裂，难以获得先进散热器所需的光滑表面、高尺寸精度与良好微通道几何。激光加工为非接触式高能量密度、可编程轨迹控制方法，可完全规避刀具磨损，已有研究表明纳秒激光可烧蚀Cu/diamond复合材料并生成微尺度特征，但铜基体与金刚石颗粒热物理响应差异使烧蚀过程精确调控困难，纳秒脉宽常引发显著热损伤如宽热影响区与熔融物再沉积，损害表面完整性。超快激光可减轻热损伤，飞秒激光辐照能通过减小热影响区与抑制金刚石石墨化改善表面质量，但相关研究主要局限于表面抛光而非微通道成形所需的深度烧蚀；水射流引导激光已制备约200 μm宽微通道但未评价热性能；双峰Cu/diamond复合材料微通道流动沸腾实验的通道几何缺乏系统优化，深宽比较低且有效换热面积受限。总体而言，现有研究虽验证了激光可加工性，但相依赖烧蚀机制、高深宽比微通道制造所需工艺策略以及通道几何与宏观换热性能的关联仍未充分阐明，连接微通道设计、材料烧蚀、尺寸控制与热性能的系统方法尚未建立，制约了几何可控且热性能可靠的Cu/diamond复合散热器发展。为此，本研究建立设计—制造—评价一体化框架：首先通过共轭传热仿真参数化评估微通道宽度、深度与间距对热力性能的影响，确定实用目标几何；其次建立瞬态热响应与局部烧蚀模型，阐明皮秒激光与Cu/diamond复合材料各组成相之间的相依赖相互作用；随后开展系统加工实验，量化关键激光加工参数对微沟槽宽度、深度与形貌的影响，并基于数据构建PSO-BP神经网络表征加工参数与沟槽尺寸的非线性关系，为确定合适加工窗口提供定量依据；最后采用改进的多线扫描策略制备选定微通道构型，并通过对流换热实验评价其实际热力性能。

研究人员采用紫外皮秒激光系统（波长355 nm、脉宽8 ps、重复频率10~1000 kHz可调）对由哈尔滨易盛新材料科技有限公司提供的10 mm×10 mm×2 mm板状Cu/diamond复合材料（金刚石体积分数70%、平均粒径约100 μm）进行加工，采用大景深数码显微镜（Keyence VHX-X1）表征加工前后表面形貌，并搭建由工作流体循环回路、测试段与数据采集模块组成的对流换热实验台，以去离子水为冷却液，通过嵌入铜加热块的多个热电偶外推获得等效热源表面温度。主要关键技术方法包括：共轭传热数值仿真（单通道与多通道模型，固定雷诺数与热流密度参数化评估几何影响）；瞬态局部烧蚀数值模型（以铜沸点2835 K与金刚石热去除阈值4270 K为材料特定热去除判据）；单因素激光加工实验（考察功率、扫描次数、扫描速度、重复频率与离焦量）；以及基于80组加工试验数据构建的PSO-BP神经网络建模。

3.1 微通道几何的热力评价：通过固定固体域尺寸与热边界条件、仅改变通道宽度与深度的单通道共轭传热仿真发现，最大温度随深度增加而降低、随宽度增加而升高，压降随宽度与深度增加而降低，对流换热系数与努塞尔数（Nu）对宽度呈非单调依赖并在0.25 mm处出现最大值，综合最大温度、压降、换热系数与Nu，0.20、0.25、0.30 mm宽度具有较优热力平衡，选定0.25 mm为优选宽度，考虑基板总厚仅2.0 mm及结构稳健性选定深度1.2 mm；多通道模型在固定通道数10、雷诺数1500与热流密度600 W/cm²下改变间距250~500 μm，最大表面温度由353 K降至450 μm时的341 K后于500 μm略升至344 K，该结果被解释为固定通道数下间距与横向冷却覆盖的共同作用而非固有最优间距，实际设计按10 mm宽基板布置19条平行微通道选定间距250 μm；基线仿真表明相同条件下Cu/diamond散热器较纯铜与纯铝分别降低最大温度56 K与92 K。3.2 皮秒激光与Cu/diamond复合材料的相互作用：建立瞬态局部烧蚀模型，模拟参数与实验匹配（脉宽8 ps、波长355 nm、焦斑半径5 μm、重复频率400 kHz、扫描速度2 m/s、单脉冲能量2.5 μJ），结果显示单次扫描后铜基体显著烧蚀而金刚石基本完整、域内最高温度3341 K低于金刚石去除阈值，三次扫描后峰值温度升至4270 K触发金刚石局部去除但体积远小于铜，五次扫描后两相烧蚀体积均增加而形貌仍以铜优先烧蚀与金刚石有限去除为特征，且三次至五次扫描的深度增量小于一次至三次，归因于固定焦平面下烧蚀前沿偏离焦点的离焦效应；实验观测的凸起金刚石颗粒形貌与仿真高度一致，验证了模型的相差异烧蚀捕捉能力。3.3 激光加工参数对微沟槽尺寸的影响：单因素实验（五条平行扫描线、线长10 mm、线间距10 μm）表明，功率由2 W增至6 W时沟槽宽度先增后趋饱和而深度单调增加，截面由近矩形向高锥度V形转变；扫描次数对宽度影响极小但显著增加深度并细化边壁、降低侧壁锥度；扫描速度增加使宽度与深度均减小而深度更敏感，源于脉冲重叠率下降；重复频率增加时宽度基本恒定于约55 μm而深度逐渐减小，归因于恒平均功率下单脉冲能量降低；离焦条件下宽度始终大于零离焦，深度随离焦量由?100 μm向+100 μm过渡而逐渐减小，负离焦下烧蚀前沿向焦平面收敛而保持高有效通量。基于80组试验数据构建的PSO-BP神经网络（训练/验证/测试集60/10/10）预测宽度与深度的最大相对误差分别为1.6%与9.0%，用于确定合适加工窗口与初始参数组合。3.4 微通道散热器制造与冷却性能分析：比较顺序扫描、中心优先与边缘优先三种多线扫描路径（功率5 W、频率400 kHz、速度400 mm/s、500次扫描），边缘优先策略获得近垂直侧壁、最小锥度与最大深度，顺序扫描呈不对称侧壁且深度受限，中心优先呈显著锥度；进一步在边缘优先方案中引入边缘修整步骤形成两阶段工艺（边缘优先8 W、500 kHz、400 mm/s，边缘修整10 W、500 kHz、400 mm/s），制备出平均宽度255 μm、深度1207 μm、近垂直侧壁段约1000 μm、侧壁锥度低于2°的周期性微通道阵列，无明显崩边、热裂纹或大面积烧蚀缺陷，与理论目标尺寸吻合良好，通道壁平均面粗糙度Sa=0.64±0.09 μm。对流换热实验中（热流密度200 W/cm²、总流量1.0~3.0 L/min、每工况重复五次），压降随流量增加而升高、热源表面温度显著降低，压降随通道宽度增加单调降低而热源温度呈非单调依赖并在250 μm配置最低，实验与单通道仿真在最低温度构型上的差异归因于固定总流量与固定雷诺数下流动速度、并联通道数与流量分配及总换热面积的不同；选定250 μm宽、1.2 mm深、250 μm间距构型进行高热流测试，流量由1.0增至3.0 L/min时在200、400、600 W/cm²热流下峰值表面温度分别降低6.4 °C（78.5至72.1 °C）、5.0 °C（128.9至123.9 °C）与8.7 °C（163.4至154.7 °C），600 W/cm²下2.0 L/min流量使峰值热源温度低于160 °C，重复测量偏差较小表明评价重复性良好；测试后通道结构完整、无变形塌陷或堵塞，侧壁粗糙度Sa降至0.11~0.20 μm，表明反复冷却液冲刷未引起额外表面退化，结构形貌稳定性良好。

讨论部分围绕相依赖烧蚀机制、工艺策略与热力性能的关联展开：皮秒激光加工Cu/diamond复合材料呈现铜基体优先去除与金刚石局部暴露凸起的相选择性烧蚀，微沟槽尺寸强烈受激光能量累积与焦条件影响，单因素实验提供可解释的工艺—几何趋势而PSO-BP模型补充描述其耦合影响，用于确定合适加工窗口；微沟槽宽度与深度受不同能量沉积机制支配，功率与扫描次数主要通过增加累积能量输入促进材料去除，扫描速度与重复频率通过调制脉冲重叠率与单脉冲能量影响形貌，离焦量改变有效光斑尺寸与空间能量密度分布；边缘优先结合边缘修整的两阶段策略有效降低侧壁锥度并抑制沟底残余V形几何；实验测得的性能应视为所选通道几何与激光制造固有表面特征共同作用的结果，激光诱导表面形貌对整体热力性能的贡献未单独量化。研究结论部分译为：本研究通过整合相依赖激光烧蚀分析、几何可控激光制造与热力参数化评价，建立了Cu/diamond复合微通道散热器的制造—性能耦合策略，阐明了皮秒激光辐照下Cu/diamond复合材料的相依赖烧蚀行为，定量表征了激光加工参数与微沟槽尺寸的关系，并基于热力评价选定实用目标微通道构型并完成实验验证。主要结论为：其一，皮秒激光加工Cu/diamond复合材料呈现显著相依赖烧蚀行为，以铜基体优先去除与金刚石颗粒局部暴露凸起为特征，微沟槽尺寸强烈受激光能量累积与焦条件影响，所构建PSO-BP神经网络捕捉加工参数与沟槽尺寸的非线性关系，深度与宽度最大相对预测误差分别为9.0%与1.6%，为确定后续微通道制造的合适加工窗口提供定量依据；其二，所提出的结合边缘优先烧蚀与补充边缘修整的两阶段多线扫描策略提升了Cu/diamond复合材料微通道的几何保真度，有效降低侧壁锥度并抑制沟底残余V形几何，制备微通道平均宽度255 μm、总深度1207 μm，具有约1000 μm长的近垂直侧壁区且所评价通道侧壁锥度低于2°；其三，在所研究几何范围内，宽度250 μm、深度1.2 mm、通道间距250 μm的直矩形微通道构型在热性能、水力阻力与制造可行性之间提供良好平衡，所制备10 mm×10 mm×2.0 mm的Cu/diamond复合散热器在600 W/cm²热流密度、总冷却液流量2.0 L/min下峰值热源表面温度低于160 °C，对比仿真进一步表明相同数值条件下Cu/diamond复合材料较纯铜与纯铝分别降低最大温度56 K与92 K。