《Advanced Science》：Thermally Induced Creep and Viscoelastic Behavior of Copper Micropillar Arrays
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本研究針對高性能計算芯片散熱需求，通過玻璃通孔（TGV）電沉積技術制備了銅微柱陣列，系統探討了熱處理（200℃ vs. 300℃）對其微觀結構、蠕變機制及粘彈性行為的調控規律。研究發現，200℃熱處理后微柱蠕變位移最大（101nm），表現出晶界滑移主導的蠕變；而300℃熱處理后，位錯密度升高并形成釘扎網絡，蠕變位移顯著降低（42nm），激活體積增大，主導機制轉變為位錯攀移。研究通過廣義Kelvin模型和遲滯譜量化了粘彈性響應，并結合不同間距陣列的熱測試，為微尺度液冷器件中高可靠、高熱性能銅微柱陣列的微結構-機制-性能一體化設計建立了框架。
隨著人工智能（AI）、大數據和云計算技術的飛速發展，高性能計算芯片的晶體管密度和運行頻率持續攀升，導致熱流密度急劇增加。高效散熱成為保障設備性能和可靠性的關鍵。在眾多散熱技術中，微通道結構內集成微柱陣列，因能顯著增大熱交換面積和增強流體擾動，展現出巨大的潛力。其中，利用其卓越導熱性、良好電沉積特性以及與微納加工技術高兼容性的銅，成為制備微柱的理想材料。通過結合激光誘導、濕法刻蝕和玻璃通孔（TGV）電化學沉積技術，可以在玻璃基板上構建集成微柱陣列的微流體散熱結構。
然而，在實際運行中，銅微柱陣列不僅承受熱載荷，還可能面臨流體沖擊或微流體通道結構約束產生的循環載荷。鑒于銅固有的抗蠕變性能相對較低，尤其在高溫下，長期應力作用可能導致微柱發生蠕變變形，從而改變幾何形狀、降低流道通暢性，最終損害整體散熱性能。因此，確保銅微柱的抗蠕變能力是其實際應用中的關鍵問題。
本研究成功通過TGV工藝制備了具有優異導熱性能的銅微柱陣列（直徑約50μm，高度約300μm），并系統研究了不同熱處理溫度下銅微柱的微觀結構演變、蠕變行為及其內在機理。
微柱形貌與界面穩定性分析
掃描電子顯微鏡（SEM）和能量色散X射線光譜（EDS）分析表明，經過300℃熱處理后，銅微柱與玻璃基板之間界面清晰、無缺陷，未觀察到明顯的元素互擴散或界面反應。熱重分析（TGA）和差示掃描量熱法（DSC）曲線進一步證實了Cu/玻璃界面在加熱過程中具有優異的熱化學穩定性。與選擇性激光熔化（SLM）工藝制備的銅微柱相比，TGV工藝制備的微柱在表面光滑度、結構保真度和尺寸精度方面具有顯著優勢，凸顯了微納加工技術在三維金屬微結構高精度成形方面的優勢。
蠕變行為分析
利用納米壓痕技術對銅微柱的蠕變力學行為進行研究。載荷-位移曲線和位移-時間曲線顯示，隨著熱處理溫度升高，銅微柱的蠕變位移呈現先增后減的趨勢：原始狀態為48nm，100℃熱處理后增至68nm，200℃時達到最大值101nm，而300℃時則降至42nm。通過計算應力指數發現，200℃熱處理后應力指數降至1.76，表明蠕變機制轉變為晶界滑移主導；而300℃熱處理后，應力指數回升至3.76，表明主導機制轉變為位錯蠕變。
進一步計算活化體積發現，200℃熱處理后活化體積最小（0.64 nm3），這與晶界介導的短程原子擴散機制相符；300℃熱處理后活化體積恢復至1.49 nm3，對應于涉及長程擴散的位錯攀移機制。與文獻中其他工藝制備的銅材料對比，本研究通過TGV工藝制備的高深寬比純銅微柱在300℃熱處理后取得了3.76的應力指數，在嚴格的微尺度幾何和集成約束下，仍實現了工程相關的抗蠕變響應增強。
粘彈性行為分析
為深入探究材料在持續載荷下的時間依賴性行為，采用串聯廣義開爾文模型對納米壓痕蠕變實驗獲得的位移-時間曲線進行理論分析。模型擬合結果顯示，終端粘性阻尼元件的參數μ0隨退火溫度呈現非單調演化：從室溫的9.26降至200℃時的最小值1.73，然后在300℃時顯著增加至16.08。從流變學角度，這表明銅微柱在從室溫退火至200℃時變得更易發生粘性流動，抗蠕變能力降低；而在300℃退火后，系統表現出顯著更高的粘性阻力，從而增強了抗蠕變能力。
通過計算蠕變柔量發現，在300℃熱處理后，銅微柱在蠕變過程中的單位時間變形速率最慢。將蠕變柔量轉化為遲滯譜進行分析，可以觀察到兩個明顯的能量耗散峰，分別位于短時間尺度（約1秒）和長時間尺度（約30秒）區域，反映了材料內部兩種主導的微觀弛豫機制。300℃熱處理后，譜峰弛豫時間右移，且峰強度顯著低于100℃和200℃處理的樣品，表明其內部能量耗散更低，弛豫活動受到抑制，微觀結構趨于穩定。
微觀結構分析
電子背散射衍射（EBSD）分析揭示了熱處理對銅微柱微觀結構的顯著影響。隨著熱處理溫度從室溫升至200℃，再結晶區域分數增加，亞結構區域和低角晶界（LAGB）分數減少，幾何必需位錯（GND）密度從1.3 × 1014m-2降至0.6 × 1014m-2。這一過程促進了位錯攀移和湮滅，同時靜態再結晶區域擴展，晶界得到更充分的弛豫，從而增強了晶界滑移對蠕變的貢獻。透射電子顯微鏡（TEM）觀察也證實，200℃熱處理后，晶內位錯活動極少，晶界處觀察到局部的原子面相對位移，這是晶界介導變形機制的典型特征。
然而，當熱處理溫度升至300℃時，由于銅與玻璃熱膨脹系數不匹配引起的熱應變加劇，新位錯的生成速率超過了其被轉化為高角晶界的消耗速率，導致位錯積累，平均GND密度回升至1.5 × 1014m-2，再結晶分數下降，亞結構區域增加。TEM圖像顯示，300℃熱處理后晶內出現更顯著的位錯網絡，并在晶界處形成位錯塞積和纏結。這些位錯-晶界相互作用對晶界遷移或滑移產生釘扎效應，改變了變形協調方式，為位錯主導的蠕變機制提供了直接的機理證據。
結合經典冪律蠕變理論的分析表明，蠕變應變率隨熱處理溫度的變化趨勢與Mt-n× ρ-n/2值的變化趨勢一致，定量證實了微觀結構演化（尤其是位錯密度ρ和泰勒因子Mt）是調控宏觀蠕變行為的根本原因。
熱導率分析
研究還系統考察了幾何參數對銅微柱陣列整體導熱性能的影響。在相同熱輸入條件下，測量了不同間距（70μm、90μm、150μm）銅微柱陣列嵌入玻璃基板后的溫升曲線。結果表明，70μm間距的陣列由于柱密度最高，形成了最致密的平行熱傳導網絡，具有最低的等效熱阻和最強的導熱能力，在加熱800秒后監測面溫升最高（46.5℃）。當柱間距增大至90μm和150μm時，平行傳導路徑減少，等效熱阻增加，導熱性能相對下降，且兩者最終溫升接近（均為45.1℃）。這表明，超過一定間距范圍后，陣列內部的熱傳導不再是系統整體熱性能的唯一限制因素，界面熱阻或頂面散熱能力可能成為新的主導瓶頸。
結論
本研究成功利用TGV工藝制備了銅微柱陣列，并建立了其“微觀結構-蠕變機制-性能”之間的內在關聯框架。主要結論如下：熱處理溫度顯著影響銅微柱的蠕變性能，蠕變位移隨溫度升高先增后減，200℃時達到最大值（101nm），300℃時降至最小值（42nm）。微觀結構動態演變是內在驅動力：200℃熱處理后，微柱表現出最小的活化體積和最低的位錯密度，蠕變機制為晶界滑移主導；300℃熱處理后，位錯密度升高，對晶界產生釘扎作用，阻礙其相對滑動，蠕變機制轉變為位錯攀移型。微柱間距這一幾何參數顯著影響宏觀導熱性能，優化陣列設計需綜合考慮內部熱傳導與界面/環境散熱過程的協同。該研究為平衡可制造性、蠕變可靠性和熱性能的微尺度液冷用銅微柱陣列設計提供了重要指導。
