2026深圳国际热管理材料展会暨高峰论坛

金刚石铝与铜微流道的金锡共晶焊接确实存在热应力风险，但通过 “材料匹配优化 + 工艺参数控制 + 结构设计 + 后续处理” 的组合方案，可将风险降至可控范围。

在芯片级散热这种对可靠性和热阻要求极高的场景中，上述优化措施已成为行业常规做法 —— 例如，某头部半导体企业的实测数据显示，经过优化后，该焊接结构可承受 1000 次以上的热循环（-40℃至 125℃），界面热阻稳定在 5-10mΩ・cm²，且无明显开裂或失效。

热应力风险的缓解措施

1. 优化材料匹配性

调整金刚石铝的成分：在满足散热需求的前提下，适当降低金刚石含量（如从 60% 降至 40%），使金刚石铝的 CTE 从 6-8 提升至 10-12，缩小与金锡焊料（14.2）和铜（16.5）的 CTE 差距，从根源减少应力。

2. 优化焊接工艺参数

控制升降温速率：采用 “缓慢升温（如 5-10℃/min）+ 保温 30-60s（让温度均匀传递）+ 缓慢降温（如 3-5℃/min）” 的曲线，避免因温度骤变导致的应力瞬时峰值。例如，传统快速降温（20℃/min）可能使应力增加 30% 以上，而缓慢降温可将应力峰值降低 15-20%。

3. 优化结构设计

微流道与均温板的 “柔性匹配”：在铜微流道的连接区域设计微小的 “弹性结构”（如窄幅的连接肋、微凹槽），利用铜的塑性变形能力吸收部分热应力（类似 “弹簧缓冲”），避免应力完全传递给脆性的金刚石铝。

4. 后续应力释放处理

焊接完成后，可进行 “低温退火处理”（如 150-200℃保温 2-4h），通过原子扩散使界面应力得到部分释放，同时提升焊料与基材的结合强度。实验表明，该处理可使残余热应力降低 20-25%，且不影响焊料的热导率。

两种工艺从可靠性、工艺性和经济性方面的比较

1.可靠性

金刚石铝与铜微流道焊接方案：金锡共晶焊接等工艺可获得较高的结合强度，但因金刚石铝与铜热膨胀系数差异较大，存在热应力风险，可能导致界面开裂或焊料分层，长期使用可靠性受影响。

金刚石铝与铜微流道界面材料填充方案：界面材料若能良好填充并固化，可提供一定的结合力和导热性，但填充过程中易产生气泡等缺陷，且长期使用中界面材料可能老化、性能下降，影响可靠性。

2.工艺性

金刚石铝与铜微流道焊接方案：需先对金刚石铝表面镀镍，再进行金锡共晶焊接等操作，焊接工艺要求高，需控制温度、真空度等参数，且铜微流道加工也有一定难度。

金刚石铝与铜微流道界面材料填充方案：无需复杂的表面镀层和高温焊接工艺，只需将界面材料填充到两者界面间，工艺相对简单，但填充均匀性和密封性控制是关键。

3.经济性

金刚石铝与铜微流道焊接方案：铜微流道成本适中，但金锡焊料价格昂贵，且镀镍和焊接工艺要求高，设备和工艺成本较高，整体经济性一般。

金刚石铝与铜微流道界面材料填充方案：无需镀镍和高温焊接，界面材料成本若较低，整体成本可得到控制，经济性有一定优势，但需考虑填充材料长期性能稳定带来的潜在成本。

三个维度拆解

1. 传导性（整体热导率）：方案 1＞方案 2＞方案 3

方案 3（单独铜微流道）：仅依赖铜的本体热导率（纯铜约 401 W/(m・K)，但微流道为薄壁 / 多孔结构，实际整体热导率因结构削弱降至40-50 W/(m·K) ），且无均温板的 “面内快速均热” 能力，热量易在局部堆积，整体传导效率最低。

方案 2（金刚石铝 + 液体金属填充）：
金刚石铝均温板的核心优势是 “金刚石高导热（600-2200 W/(m・K)）+ 铝的面内均热能力”，其本体热导率可达300-500 W/(m·K)；
界面采用液体金属（如镓基合金，本体热导率 50-100 W/(m・K)）填充，虽液体金属热导率低于焊料（如金锡共晶焊料热导率约 50 W/(m・K)，但焊接后形成致密金属键合），但填充无孔隙，对整体传导的削弱较小；
最终整体热导率受液体金属略拉低，降至220-350 W/(m·K)，仍远高于方案 3。

方案 1（金刚石铝 + 焊接）：
金刚石铝均温板本体热导率与方案 2 一致（300-500 W/(m・K)）；
界面通过 “镀镍（镍热导率 90 W/(m・K)，增强焊接润湿性）+ 金锡 / 银铜焊料（热导率 50-100 W/(m・K)）” 形成金属键合，界面为致密固态连接，无空隙，对整体导热的削弱比液体金属更小；
最终整体热导率更接近金刚石铝的本体水平，达250-400 W/(m·K)，是三者中最高的。

2. 界面热阻：方案 2＜方案 1＜方案 3（方案 3 无界面）

方案 3（单独铜微流道）：无 “异质材料界面”（仅微流道本体与冷却液的对流热阻，不属于 “界面热阻” 范畴），因此无此维度的额外损耗，仅需考虑铜本体热阻与对流热阻。

方案 1（焊接方案）：
界面为 “金刚石铝镀镍层 - 焊料 - 铜微流道” 的三层金属连接，需克服：

镀镍层与金刚石铝的结合热阻（因镀镍工艺成熟，约 1-3 mΩ・cm²）；

焊料与镀镍层、铜微流道的键合热阻（焊接若存在微小孔隙 / 氧化层，会增加热阻，约 4-12 mΩ・cm²）；
总界面热阻约5-15 mΩ·cm²，属于 “低阻界面”，但高于液体金属填充。

方案 2（液体金属填充方案）：
液体金属的核心优势是 “流动性好”—— 可完全填充金刚石铝与铜微流道的界面间隙（即使表面粗糙度 Ra=1-5 μm，也能无空隙贴合），且液体金属与金属表面（铝、铜）的浸润性优异，无氧化层阻隔（部分镓基液体金属可直接与铝 / 铜形成合金层，进一步降低接触热阻）；
总界面热阻仅1-8 mΩ·cm²，是三者中最低的，甚至低于部分焊接方案的界面热阻。

3. 热耗能力扩展：方案 1＞方案 2＞方案 3（以方案 3 为基准）

“热耗能力扩展” 指相比单独铜微流道，方案能额外承载的热功率（单位：W），核心取决于 “整体导热效率提升” 与 “热阻降低带来的散热瓶颈突破”，需结合实际应用场景（如芯片热流密度 200-1000 W/cm²）分析：

方案 3（单独铜微流道）：热耗能力为 “基准值”—— 假设在芯片结温≤85℃、冷却液（水）流量 1 L/min 时，其能承载的最大热耗约40-80 W（受限于铜微流道的本体热导率低，热量无法快速从芯片传递到冷却液，局部结温易超标）。

方案 2（液体金属填充方案）：
因金刚石铝均温板的 “面内均热” 能力（可将芯片局部高热点热流密度分散为低面密度热流），叠加液体金属的极低界面热阻，整体散热效率比方案 3 提升2-3.5 倍；
相同工况下，可承载的最大热耗约80-280 W，能满足中高功率芯片（如 5G 射频芯片、中小功率 AI 芯片）的散热需求。

方案 1（焊接方案）：
整体热导率最高（比方案 2 高 10%-20%），且焊接界面的 “结构稳定性” 更好（无液体金属长期使用中的渗漏风险），可承受更高的热循环（-55℃~125℃）与振动工况；
相同工况下，可承载的最大热耗约100-320 W，能覆盖更高功率场景（如高功率 GPU、SiC 逆变器、激光二极管），是三者中热耗能力扩展最强的。