芯片冷却，取得新进展

近日，北京大学力学与工程科学学院能源与资源工程系宋柏研究员创新性地提出“歧管-微射流-锯齿微通道”复合嵌入式微流结构，使用单相水作为冷却液，实现了3000 W/cm²的超高热流密度芯片冷却，同时将单位面积冷却功耗降低至0.9 W/cm²。

该研究成果以“Jet-enhanced manifold microchannel for cooling electronics up to a heat flux of 3000 W/cm²”为题发表在《Nature Electronics》论文通讯作者为北京大学力学与工程科学学院能源与资源工程系宋柏研究员，同时得到了北京大学集成电路学院王玮教授的全力帮助。第一作者为宋柏课题组毕业生吴志鹄博士（现为香港理工大学博士后），参与作者还包括博士生肖维和毕业生何海宇博士。

宽带隙半导体是节能照明、无线通信、电动汽车等领域的关键材料，但其高功率密度导致芯片热通量可达每平方厘米千瓦级。散热不足会显著降低器件性能与寿命，例如商用GaN晶体管功率密度被限制在10 W/mm（远低于100 W/mm的理论值）。

传统热管理技术（如风冷与冷板）受限于芯片封装的低传热性能。嵌入式微流体冷却通过将冷却通道置于芯片内部，使冷却剂更接近热源，缩短热路径、降低传导热阻。通过增设歧管层优化流道设计，可进一步降低压降与功耗，形成歧管微通道（MMC）结构。尽管MMC导热阻力极低，但其热通量仍低于2000 W cm(-2)。为进一步提升性能，需增强对流换热，例如采用高密度微通道或射流冲击以破坏边界层，但这些方法往往需付出更高泵送功率的代价。

研究团队实现了一种嵌入式微流体冷却策略，该策略创新性地提出“歧管-微射流-锯齿微通道”复合嵌入式微流结构，使用单相水作为冷却液，实现了3000W/cm²的超高热流密度芯片冷却，同时将单位面积冷却功耗降低至0.9W/cm²，相当于每消耗1份电量就可以带走超过3000份热量。

该设计基于硅基微机电系统（MEMS）标准工艺，直接在硅衬底背面刻蚀集成三层微流结构：顶部为变截面歧管层，交错进出口设计通过缩短冷却液在微通道内的流动距离将总体压降控制在极低水平；中间为微射流层，通过射流冲击微通道底部，抑制流动与热边界层，提升局部对流换热；底层构建锯齿微通道网络，有效缓解射流入口阻塞，并进一步增加对流换热面积、破坏流动及换热边界层，从而减小流阻与热阻。

团队共测试了四种芯片变体，包括直通道（JMC, jet-enhanced manifold microchannel）和锯齿通道（sJMC, JMC with sawtooth wall），以及25微米和50微米两种典型通道宽度。

实验结果显示该冷却技术性能优异：在120毫升每分钟的流量下，25微米宽通道的芯片热阻低至0.036Kcm²/W；锯齿侧壁显著降低压降（例如，50微米宽通道下压降从76.9kPa降至66.4kPa），并维持或略优于直通道的冷却性能。

在极限性能测试中，冷却超过1000W/cm²的热流时该方案性能系数（COP）高达13,000，此时芯片最大温升仅为65度。在3000W/cm²的极限工况下，芯片最大温升控制在130度，同时压降低于50kPa。

这种通过结构优化来最大化对流换热和减少流动阻力的思路，为解决高功率电子器件日益严峻的散热挑战提供了全新的高效路径 。该方法不仅性能优越，COP（性能系数）高达13,000，且使用的标准MEMS（微机电系统）技术与现有集成电路制造工艺兼容，这预示着该技术具备极强的产业应用潜力，能够为未来高功率电子设备提供有效的热管理解决方案。