近日，近日，西安电子科技大学的郝跃院士、张进成、周弘、冯欣等团队提出双面封装与微通道冷却集成的主动热管理策略，通过纳米银烧结工艺实现双面封装，搭配铜基微通道冷却模块，使器件结 - 环境热阻从 39.8 K/W 降至 13.3 K/W（降低 66.6%），4.5 W 功耗下结温低至 88.6℃（下降 58%）；电性能上，3 V 偏压下工作电流达 1025.4 mA（提升 19.8%），比导通电阻至少降低 12.1%，6000 s 导通应力下电流仅衰减 7.3%，有效解决了高功率密度电子器件的热管理瓶颈，为下一代超高压电力电子应用奠定基础。研究成果以“High-performance and high-reliability Ga₂O₃ Schottky barrier diodes enabled by double-side packaging integrated with microchannel cooling”为题发表在《International Journal of Thermal Sciences》期刊。

 一 为什么传统散热 “救不了” 高功率器件？

先搞懂一个核心矛盾：第四代超宽禁带半导体（比如氧化镓）的 “耐压能力” 是碳化硅的 2 倍、硅的 10 倍，但它的导热率仅为硅的 1/10—— 这意味着：相同功率下，氧化镓芯片的结温会 “飙升到失控”。

传统散热的问题更致命：

• 单面封装：热量只能从芯片底部走，路径长、热阻大；
• 常规焊料：导热率低（仅 50-80 W/(m・K)），还容易在高温下失效；
• 被动散热：靠散热器 “慢慢散”，根本追不上高功率器件的产热速度。
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 二 西电方案的 “三维破局”：从材料到结构的全链路革新

郝跃团队的方案，是从 “材料、结构、系统” 三个维度把散热效率拉满：

1. 材料破局：纳米银烧结，把 “导热瓶颈” 砸穿

他们用纳米银烧结工艺替代传统焊料，实现芯片的 “双面键合”：

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  纳米银的导热率高达 240 W/(m・K)，是锡铅焊料的 3 倍；
• 烧结后形成的银层耐高温（＞700℃）、热膨胀系数与芯片更匹配，既打通了 “芯片顶部 + 底部” 的双散热通道，又避免了传统焊料的 “热疲劳失效”。
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2. 结构破局：铜基微通道，让热量 “贴脸跑路”

在双面封装结构中，他们集成了百微米级铜基微通道冷却模块：

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  微通道直接与芯片表面贴合，热流路径从 “厘米级” 缩短到 “百微米级”，热阻直接砍半；
• 铜的导热率（401 W/(m・K)）+ 流体强制对流，能把芯片热量 “实时抽走”—— 相当于给芯片装了 “贴身空调”。
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3. 系统破局：“封装 + 冷却” 集成，把热阻压到极致

图3. 两种封装配置下器件的瞬态热响应：底部封装器件为 2.8 W，双面封装器件为 3.3 W

图6. (a) 不同封装结构下自然对流风冷与微通道冷却的功率-温度特性曲线。 (b) 两种封装结构在不同微通道冷却条件下的 I-V 曲线

图7. (a) 雷诺数与流速的关系。 (b) 压降与泵送功率随流速的变化。 (c) 努塞尔数与雷诺数的关系。 (d) 热阻与泵送功率的权衡关系。

图9. 不同冷却方式下阳极电压为 3 V 时的导通电流与热阻性能对比（A：底部自然对流冷却；B：底部微通道冷却；C：双侧自然对流冷却；D：双侧微通道冷却）。

这套方案的核心是 “不做单点改进，而是系统集成”：双面封装负责 “打通热流通道”，微通道冷却负责 “加速热流排出”，两者结合直接让器件结 - 环境热阻从 39.8 K/W 降至 13.3 K/W（降幅 66.6%）—— 热阻每降 1 K/W，意味着相同功率下结温能降 1℃，这对高功率器件是 “生死级” 的提升。

 三 不止 “降温”：这是超高压电力电子的 “入场券”

• 结温控制

  4.5 W 功耗下，结温从传统方案的 160℃级压到 88.6℃（降幅 58%），远低于器件失效阈值；

• 性能释放

  3 V 偏压下工作电流达 1025.4 mA（提升 19.8%），比导通电阻降低 12.1%—— 散热瓶颈一破，器件的 “性能上限” 直接被拉高；

• 可靠性

  6000 s 导通应力下电流仅衰减 7.3%，是传统方案的 3 倍以上。
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更关键的是：这套方案让氧化镓器件的 “实用化” 成为可能—— 未来在 800V 高压快充、10kV 以上智能电网、兆瓦级风电变流器中，国产高功率器件终于能摆脱 “散热枷锁”，站到国际第一梯队。从 “材料焊料” 到 “系统集成”，西电团队的突破，是把 “高功率器件散热” 这个 “卡脖子” 难题，变成了国产器件的 “技术壁垒”—— 下一代电力电子设备的 “心脏”，终于能装上 “中国造的散热器” 了。

以上部分图片来自：国际导热散热展

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