Energy：用于高功率芯片的仿生歧管微通道冷却

论文信息：

Zhicheng Xin, Yanhe Shi, Amit Kumar Shah, Sihui Hong, Zan Wu,Highly efficient bio-inspired manifold microchannel cooling forsteady-state and transient thermal management of high-power chips,Energy 340 (2025) 139269.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.energy.2025.139269

Part.1

研究背景

随着微处理器和电力电子设备对性能的需求不断提高，集成电路芯片正朝着晶体管密度更高、芯片面积更大的方向发展 。现代芯片的热设计功耗（TDP）显著增加，亟需采用更高效的热管理策略，以确保运行可靠性并维持性能 。与传统风冷相比，液冷散热效果更佳，已广泛应用于服务器机架和电力电子系统，微通道散热器（MCHS）已成为应对高功率密度热负荷的前景技术之一。大量研究一直 致力于通过结构创新提升其热性能和水力性能。研究人员探索了仿生设计、引入歧管层, 以及拓扑优化等方法，以提高传热效率并降低压降。这些研究表明了一个明显趋势：随着总功率增加，传统散 热器结构的 COP 会下降，这些进展大多针对恒定热流条件下的稳态散热，通常适用于低功率应用。近期微通道散热器实验研究汇总于表 1中。

表 1近期微通道散热器实验研究[5,7,11–14]。

图中自上而下依次为：仿生分形微通道散热器、硅基嵌入式微通道散热器、铜基分级结构微通道散热器、铜基嵌入式S 型微通道散热器、硅基嵌入式U型微通道散热器、仿生鳍片。

功率密度的激增要求新一代散热器不仅具备 高热效率和紧凑结构，还能应对瞬态热负载。关于波动热负载下散热器的瞬态热响应，以及结构设计在缓解这些影响方面所起作用，仍存在关键的认知空白。传统 MCHS 结构在高功率应用中存在明显局限，尤其是压降较高、性能系数（COP）相对较低，难以满足先进热管理系统对能效的要求。此外，当前热管理方法主要针对稳态工况或脉冲加热场景，却严重忽视了实际芯片运行中典型的动态周期性功率波动。为应对这些挑战，本研究提出了一种受莲叶脉管结构启发的新型歧管环形通道（MRC）散热器。这种仿生设计旨在优化高功率芯片的稳态和瞬态热性能。散热器几何结构通过数值拓扑优化设计，并采用精密加工和银烧结技术制造。研究通过全面的实验和数值分析，评估其热阻、压降和温度均匀性。结果表明，MRC 设计的性能显著优于传统MCHS 结构，可为静态和动态运行条件下的下一代芯片热管理提供有效解决方案。

Part.2

研究内容

图 1 展示了仿生歧管环形通道（MRC）的概念设计。新型散热器由两个主要部分组成：歧管层和环形通道层。该设计的灵感来自莲叶叶脉中观察到的自然流体分配方式。流体首先进入中心鳍片阵列，形成冲击射流冷却区域。随后，流体流入歧管区域，转向后从相邻歧管分区进入各个微通道。相互连通的微通道促进流体横向混合，形成 T 型流道，从而提高传热效率。最后，流体流出通道，在仿生花瓣状歧管出口汇集后离开散热器。

图 1. MRC 结构示意图。(a) 集流式环形通道散热器的三维视图（蓝色区域和红色区域分别表示入口区和出口区）；(b) 流道结构局部放大图；(c) 环形微通道内流体进出情况的详细示意图；(d) 莲叶叶脉中的水流分布。

数值计算域采用多面体网格，并进行了网格无关性分析，如图2(a) 所示。网格规模从 34 万到 2134 万个单元不等，由此产生的温度和压力变化分别在 0.38 % 和 2 % 以内。MRC 设计示意图图 2(b) 。

图2. (a) 网格无关性验证和 (b) MRC 示意图。

采用一层金薄膜电阻对芯片进行加热。加热区为直径 20 mm 的圆形，由两条蛇形金膜电阻线均匀覆盖（线宽 600 μm、间距 150 μm、厚 300 nm），在硅晶圆背面溅射沉积了 100 nm 银膜，以便后续进行银烧结。制备流程如 图3所示。

图3. (a) 加热源的制造过程。步骤1：LPCVD SiO2, 步骤2：光刻、溅射 Ti/Au 并剥离，步骤3：溅射 Ag 薄膜；(b) 加热源的俯视图和背面图。

大面积银烧结通常面临有机物烧除和气体排出等挑战，这些问题可能影响烧结层的质量。为解决这些问题，开发了一种采用商用银浆的六步制备工艺，如图4所示。工艺步骤如图4b)所示1) 和 2) 将干燥银浆从硅晶圆转移至歧管；3) 和 4) 在热压条件下对微通道层和歧管层进行银烧结；5) 在热压条件下对 AMB（活性金属钎焊）板进行银烧结；6) 在热压条件下对芯片进行银烧结。

图4. 采用银烧结制备TTV 的过程。(a) TTV 的组成部件，(b) 采用银烧结制备 TTV 的过程。

仿生散热器的原始设计如图 5(a)所示。冷却液往往会过早地流经外环通道。为缓解这一问题，在歧管区域末端增加了挡板，以延长流体流动路径并改善流量分配，如图 5(b)所示。

图5. 歧管环形通道的初始结构和优化结构。

流路回路示意图如图 6（a）所示。实验前，使用配备陶瓷加热器的储液罐，在环境压力下对去离子水进行充分脱气。脱气后的水作为冷却液，储存在同一储液罐中。为防止齿轮泵发生空化，在储液罐与流体回路之间安装了板式换热器，以降低液体温度。使用真空泵和中间旁路系统将实验回路完全抽空，从循环冷却液中去除不凝性气体。在实验回路中，冷却液依次流经以下部件：系统压力调节器、50μm过滤器、齿轮泵、科里奥利质量流量计、板式换热器、15μm过滤器、预热器、测试段，以及另外两台下游板式换热器。冷却液离开测试段后，下游换热器将其冷却至目标温度。图 6(b) 展示了运行期间安装在 PEEK 板上的热测试模块。使用红外热像仪，并借助一面倾斜 45 度的镜子，采集加热芯片的表面温度。为提高发射率，在芯片表面涂覆了黑漆。热流密度控制系统由IGBT（绝缘栅双极型晶体管）模块、信号发生器和示波器组成，可在稳态和瞬态条件下精确调节加热功率。信号发生器用于产生方波或直流信号，从而实现对加热功率的动态调节。

图6. TTV 实验装置及测试设施的示意图。(a)实验系统框图；(b)实验装置及热测试车辆。

总热阻Rtotal, 可分为三个部分：导热热阻Rcond 、对流热阻Rconv 和流体升温热阻Rheat 。在热阻网络中，大部分热量通过微通道壁以对流方式传递至冷却液，表示为Rconv,c。较少一部分热量从微通道翅片传导至铜歧管壁，表示为Rfin，随后再从歧管壁以对流方式传递至冷却液，表示为Rconv,m。

图 7. 歧管微通道加热器的热阻网络。

实验在约 25 ◦C 的受控室温下进行，测试系统与环境之间进行了隔热处理。首先，在不同加热和流动条件下开展实验，以评估芯片表面的温升，随后将结果与数值模拟进行比较。接着，根据所提出的热阻网络模型计算对流换热系数。最后，将歧管环形微通道散热器的热性能和水力性能与其他散热器结构进行了比较。通过数值模拟和实验研究了仿生 MRC 中的流动与传热。为评估模拟精度，将平均芯片温度（Tave）和压降（Δp）与实验结果进行了比较。如图 8所示。对于Tave，平均误差约为 1.5 %，最大偏差为 2.7 ◦C。压降的平均误差约为 6 %，最大偏差为 0.89kPa。最高水温结果也列于图 8。在指定的模拟边界条件下，流体温度低于 85◦C，证实数值模型中为单相流动。

图8.实验和模拟结果的比较。(A)平均温度；(B)压降；(C)最高流体温度。

在 3 g/s 至 39 g/s 的质量流量范围内评估了散热器的性能。如图 9所示，在每个流量下，芯片平均温度均随热流密度增大而线性升高。在测试的两种 TTV 中，流量为 39 g/s 时，平均温度随热流密度增大而上升得更加缓慢。这一趋势表明热阻与流量呈反比关系，与此前研究的结论一致。与 TTV 1 相比，TTV 2 的芯片冷却能力进一步增强。

图 9. 仿生 TTV 1 和 TTV 2 的热性能。

为评估芯片表面的温度均匀性，图 10展示了红外热像仪在不同质量 流量和热流密度下测得的温度分布。与较低质量流量相比，在相同热流密度下，较高质量流量能够降低整体 温度不均匀性。在不同热流密度下，芯片中心始终出现最高温度，这是 因为热量从壁面传递至冷却液的过程中，热量在芯片和 AMB 板内均发生横向扩散。由于电子导电时沿最短路径流动，边缘处的电流密度低于中心区域，因此边缘附近产生的热量较少。

图10.TTV2红外摄像图像中不同质量流量和热流密度下的芯片温度分布。

质量流量变化时总热阻及其各组成部分的变化详见图 11。实验表明，在质量流量为 39 g/s 时，总热阻最低，TTV 1 和 TTV 2 分别为 0.0977 cm2 K/W 和 0.0878 cm2 K/W。在质量流量为 39 g/s 时，通道区域的有效基 底面积平均传热系数在 TTV 1 和 TTV 2 中分别达到 15.99 W/(cm2 ⋅K) 和 19.15 W/(cm2 ⋅K)。

图11.仿生TTV 1和TTV 2的热阻和换热系数。

通过考察质量流量为 39 g/s 时歧管层和微通道沿深度方向的压力与 速度分布，分析了流动特性。在 TTV 1 中，随着质量流量从 3 g/s 增至 39 g/s，压降从 1.07 kPa 增至 24.61 kPa（见 图 12）。TTV 2 在相同流量范围内，压降从 1.26 kPa 上升至 25.22 kPa。与初始结构相比，由挡板引入的流道延长使压降增幅低于 10 %。仿生歧管环形流道设计缩短了微通道内流体的流动距离，从而显著降低了压降。此外， 环形设计消除了直通道结构中常见的直角弯折。因此，歧管环形流道设计显著提高了 COP。仿生散热器凭借较低的流动阻力，使 COP 提高了一个数量级。

图12.歧管环形微通道散热器的水力性能。

在微通道散热器的制造过程中，微通道成形是最耗时、成本最高的环节。为评估制造复杂度，本文统计了等宽微通道的数量及总长度。采用宽度为 0.3 mm 的微通道时，传统设计包含 34 条通道，总长度为680 mm；仿生设计仅包含 13 条通道，总长度为 502.34 mm（见图13）。这意味着通道数量减少了 61.76%，总长度缩短了 26.12%，显著降低了制造复杂度和成本。

图13.传统结构和仿生结构的制造难度。

与传统的平行通道设计相比，仿生莲叶脉络集流层将流体分配到八个独立单元 中，如图 14(a)所示。增加该集流层可显著降低各微通道中的质量流量和流动路径长度。传统结构和仿生结构的通道质量流量（Gc）如图 14(b)所示。结果表明，最大Gc 从 6188 kg/m2 /s 降至 1601 kg/m2 /s，降幅为 73.52%。此外，最大值与最小值之间的Gc 差值从 1397 kg/( m2 s) 降至 501 kg/(m2 s)，降幅为 64.13%。如图 14(c)所示，与传统平行微通道设计相比，仿生结构使压降降低了 50.72%，COP 提高了 131.85%。

图14.传统设计和仿生设计在39 g/S时的质量流量分布和压降(A)仿生歧管层；(B)每个微通道中的质量流量；(C)压降和COP。

为直观展示两种结构中微通道的质量流量分布，现给出速度分布图，见 图 15(a) 和 (b)。在 xy 平面内，传统结构中的流体速度明显高于仿生结构。如图15(a) 所示，这些单元之间的速度分布具有高度对称性。yz 平面内的速度分布如图 15（b）所示。在传统结构中，微通道 N15–N21 中的质量流量高于其他微通道，这可能是因为它们靠近入口。相比之下，仿生结构中各微通道的速度分布几乎均匀。

图15.传统微通道和仿生微通道在39g/S时的速度分布(A)x-y平面速度分布；(B)y-z平面速度分布。

温度均匀性与流体流动均匀性密切相关。芯片温度分布如图 16（a） 所示。仿生结构显著提升了温度均匀性。在质量流量为 39 g/s、热流密度为 600 W/cm2 , 时，最高温度从 113 ◦C 降至 104 ◦C，温差（Tmax – Tmin）从 47.1 ◦C 降至 26.5 ◦C，降幅达 43.74 %。温度均匀性的改善得 益于微通道内流体分布更加均匀。在传统结构中，最低温度出现在芯片入口附近。流体沿延伸通道流 动时，温度逐渐升高，从而降低传热效率。因此，如图 16(c) 所示，与传统设计相比，仿生结构中的热边界层明显更薄。

图16.传统微通道和仿生微通道在39g/S和600W/cm~2下的温度分布(A)受热面温度分布；(B)最大温度和温差；(B)热边界层的发展。

热时间常数定义为芯片表面温度达到稳态温度 63.2 % 所需的时间。 在进行瞬态实验之前，测量了不同质量流量和热流密度下的热时间常数。 如图 17(b)所示，热时间常数随质量流量的增加而减小。

图17.暂态测试信号和热时间常数。(A)测试信号；(B)热时间常数。

不同波动频率和占空比下，质量流量为 33 g/s 时最高温度（Tmax） 和平均温度（Tave）的变化如图 18所示。在平均热流密度恒定时，温度 随占空比增大而降低。对于给定的周期和频率，占空比较低意味着加热持续时间较短，因此瞬态加热功率高于占空比较高时的情况。当信号周期超过热时间常数时，温度波动会更加明显。因此，在较低频率和较低占空比下，芯片温度高 于较高占空比时的温度。相反，当波动频率较高、周期远短于热时间常数时，芯片表面的温度变化会显著减小。因此，在高频下，不同占空比对应的瞬态温度变化都很小，而瞬态温度逐渐接近稳态温度。实验结果表明，频率、占空比和功率幅值会显著影响芯片温度。

图18.在33g/S质量流量下的瞬时热流密度下的热性能。

图 19 展示了在质量流量为 33 g/s、热流密度为 400 W/cm2时，芯片表面在 0.5 Hz 和 500 Hz 波动频率下随时间变化的瞬态温度分布。0.5 Hz 下完整的瞬态温度演变过程如图19(a)所示，周期为 2s ；而图 19(b)展示了 500 Hz 下 2 ms 周期内观察到的近乎恒定的温度分布。

图19.高速红外相机拍摄到的33g/S和400W/cm~2的瞬时温度随时间的变化。(A)0.5赫兹，(B)500赫兹。

瞬变温差ΔT在相同的流逝时间随占空比而变化，频率和质量流量，分别如图20(A)、20(B)和20(C)所示。可以观察到，瞬时ΔT随占空比、频率和质量流量的增加而减小。由于暂态功率随占空比的增大而减小，相应的温升也随之减小。

图20.瞬时温度演变图。(A)与占空比(0.5赫兹、33g/S和200W/cm~2)有关；(B)与频率(在50%占空比下、33g/S和200W/cm~2)有关；(C)与质量流量有关(在50%占空比、0.5赫兹和200W/cm~2下)。

在温升固定为 60 K 时评估的所提出散热器的有效热阻、压降和 COP——与文献中不同冷却方案、加热面积、通道几何结构及热流密 度条件下的实验数据进行了比较，如图 21 [7,8,11,12,27]所示。结果表明，所提出的仿生歧管环形通道散热器采用 0.3 mm 通道宽度，并通过常规机械加工制造，可实现高效的大功率散热，同时具有较低的热阻和压降，以及具有竞争力的 COP。

图21.以其他散热片结构的代表性实验数据为基准。(A)散热器的热阻RHS与压降ΔP的关系；(B)当温升固定在60K时，冷却COP与加热功率的关系。

Part.3

研究总结

本研究提出了一种新型铜基歧管环形通道散热器，用于对314 mm2芯片进行微流体冷却，可在仅4.2 mm的紧凑厚度内承载最高达2000 W的总热设计功耗。TTV封装采用结合机械加工、MEMS技术和用于互连的银烧结工艺的一体化流程制造。在这种仿生结构中，歧管的占用面积与加热区域在这种仿生结构中，歧管的占用面积与加热区域精确对齐，因此可扩展至更大尺寸的芯片和多芯片组件。此外，芯片–AMB–冷板结构的 集成证明了该设计用于实际电子设备散热应用的可行性和兼容性。

(1) 对歧管环形通道设计进行了优化，以提升热性能和水力性能。在39 g/s 流量下，与传统平行直通道设计相比，该设计的压降降低了 50 %、温度均匀性提高了 43 %、COP 提高了 131 %，这归因于流量分布更加均匀。

(2) 提出了一种耦合传热模型，用于评估低热阻连通式歧管微通道散热器的湿润面积平均传热系数。

(3) 与文献中报道的现有设计相比，所提出的仿生结构使 COP 提高了一个数量级，在相当的芯片功率条件下超过 1.8 × 10 5 。

(4) 通过实验评估了仿生结构在 3–39 g/s 流量范围内的冷却性能。在39 g/s 时，该结构的平均热阻为 f 0.0878 cm2 K/W，压降适中，为 25.22 kPa；有效的底面面积平均传热系数和湿润面积平均传热系数分别为 19.15 W/cm2 ⋅K 和 5.78 W/cm2 ⋅K。

(5) 优化后的散热器满足微处理器和功率电子芯片的温度要求。在芯片温升低于80 ◦C和130 ◦C、温差低于5◦C 和10◦C的情况下，分别可耗散高达 400 W/cm2 和 600 W/cm2 的热流密度。

(6)瞬态测试表明，热时间常数决定了散热器的动态热响应。加热功率的占空比和波动频率变化会显著影响瞬态温度的演变。

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