北大嵌入式冷却新方案，兼顾芯片散热与安全

随着人工智能与高性能计算等领域的飞速发展，电子芯片的集成度与功率不断攀升，部分芯片的局部热流密度突破千瓦每平方厘米(kW/cm²)级别。因此，散热能力已成为制约芯片性能、可靠性和寿命的核心因素。

然而，传统的封装工艺以及风冷、冷板等散热技术，受限于较低的对流换热系数、材料热导率以及显著的界面热阻，已难以应对未来芯片的极高散热需求。在此背景下，嵌入式微流冷却技术备受学术界与工业界关注，该方案直接在芯片衬底（也就是承载内部电路的基底材料）上刻出微型流道。刻制出的流道可以输送少量冷却剂；冷却剂是一种流体，能够吸收周围热量并将热量带走。冷却剂会被输送至芯片内部热量集中的区域附近。

很多嵌入式冷却方案将水作为冷却剂。但水中溶解的杂质会让水具备导电性，增大短路风险，可能损坏芯片元器件。另一种方案是使用电绝缘液体，即介电流体。这类流体引发短路的概率低得多，但散热能力通常较差。

北京大学的研究人员近期提出了一种全新嵌入式冷却方案，采用名为HFE-7100的介电冷却剂与两相冷却机制：冷却剂吸收热量，由液态转变为气态。相关研究成果发表在《自然・电子学》期刊，该方案有望更高效地为高性能电子芯片散热。

肖维、吴志鹄及其团队在论文中写道：“嵌入式冷却将微流结构直接刻蚀在芯片衬底上，使液态冷却剂贴近热点区域。以水作为冷却剂时，该方案可实现最高3000瓦每平方厘米的热通量。但水虽然拥有较高的比热容与热导率，其导电特性意味着使用时必须十分谨慎，尽可能降低短路风险。本文提出一种适用于嵌入式两相冷却的水平向上集流腔结构，利用介电流体HFE-7100的相变汽化实现散热。”

整套微流结构三维示意图。蓝色代表低温液体，红色代表受热后的液气混合物。插图采用渐变箭头，突出流体在集流腔与微流道内的流动路径。

高性能芯片新型散热方案

研究团队开发的这套嵌入式冷却系统，采用电子制造领域成熟工艺完成制备。借助这些工艺，团队在测试芯片的发热区域附近制作微型流道，同时制作集流腔 —— 用于分配冷却剂，并收集从流道流出的冷却剂。

研究人员还增设了水平入口用于补充液态冷却剂，以及垂直出口用于排出蒸汽。他们选用的冷却剂HFE-7100，会在沸腾过程中吸收热量。

在该系统中，冷却剂流经流道时吸收热量，部分液体汽化为蒸汽。受热流体随后从垂直出口排出，将吸收的热量带离芯片。

论文作者写道：“以往使用介电冷却剂的技术，即便搭配预冷却与预加压手段，临界热通量通常也低于1000瓦每平方厘米。而我们这套方案的临界热通量最高可达1570瓦每平方厘米。散热性能提升的核心在于水平向上集流腔的结构设计：水平入口便于补充液体，垂直出口加快蒸汽排出。”

面向更安全、性能更强的电子设备

初步测试显示，这套冷却系统的临界热通量达到1570瓦每平方厘米；一旦超过该阈值，冷却剂的沸腾将无法继续有效散热。热通量描述的是单位面积的传热速率，并非芯片整体带走的总热量。后续还需要在商用电子设备上开展更多实验，验证该系统的性能与可靠性。

研究人员表示：“本方案基于微机电系统技术，可直接与标准半导体工艺集成，能够面向下一代电子产品实现规模化应用。”

团队研发的这套嵌入式冷却方案还可以持续优化，在各类电子芯片上开展更长周期的测试。未来，该技术有望用于为愈发先进的集成电路与电子元器件散热。