随着高性能计算芯片的功率密度持续攀升，芯片级热管理正成为制约电子系统性能与可靠性的关键瓶颈。两相冷却能够利用相变潜热实现高效传热，被认为是高热流密度电子器件散热的重要发展方向。然而，在实际电子系统中，传统水冷方案虽然换热能力突出，却存在导电风险；绝缘工质虽具有电气安全优势，但普遍面临导热系数低、汽化潜热有限等问题。如何在保证电气绝缘的前提下进一步提升两相散热能力，仍是当前热管理研究中的重要难题。
针对上述挑战，北京大学集成电路学院、微米纳米加工技术全国重点实验室、集成电路高精尖创新中心王玮-张驰团队提出了一种基于多孔结构复合微翅片的芯片级两相射流冲击散热方案。该工作围绕供液歧管设计、表面强化沸腾及低热阻传热路径构建，设计并通过3D打印制备了分布式供液歧管，实现液汽分离路径以降低热阻；通过多孔结构与芯片背面刻蚀的硅翅片实现原位共形集成，在增大散热面积的同时增加汽化核心，提升了散热能力。最终该散热方案实现了无热界面材料（TIM）、无盖板的芯片级直接两相射流冷却散热封装，使用绝缘冷却工质Novec 649，实现散热功率610 W、芯片结温69℃、热阻0.07 K/W的高效散热。其中，在552 W输入功率下，芯片加热区域温差仍控制在10 K以内，展现出该结构在高热流密度条件下兼顾散热能力与温度均匀性的能力。
图1两相射流冲击冷却封装方案实物及液汽输运路径示意
研究表明，多孔结构与硅微翅片结构作为换热衬底，结合气液分离供液歧管的协同作用，是该散热方案获得高性能的关键。一方面，多孔结构提供了丰富的汽化成核位点和毛细补液能力，可有效延缓干涸发生；另一方面，气液分离供液歧管实现了分布式均匀供液，并通过液体供给路径与蒸汽排出路径的物理空间分离，降低了传热热阻。进一步比较不同样品后发现，较厚的多孔铜层有利于提高临界热流密度，更高的过孔孔径同样有助于改善液汽输运能力。该工作为高热流密度芯片热管理提供了一条具有工程应用前景的技术路线。
图2 本工作与文献中两相射流冲击冷却的热性能对比（水与绝缘流体工质）
相关成果以“Two-Phase Jet Impingement Cooling with Copper Inverse Opal Coated Microfins Using Novec 649”发表在封装领域权威期刊《电子封装》(Journal of Electronic Packaging)上。
论文链接: https://doi.org/10.1115/1.4071330
北京大学集成电路学院博士生石上阳、软件与微电子学院硕士生宁尚进为文章的共同第一作者，北京大学集成电路学院张驰副研究员为通讯作者。该研究工作得国家自然科学基金的支持。
王玮教授团队长期致力于先进封装中热管理技术的研究，在嵌入式微流体冷却、相变冷却及新型热界面材料等领域进行了一系列卓有成效的探索。团队的研究成果连续多年在传热学顶级期刊及电子元器件封装领域顶级国际会议IEEE Electronic Components and Technology Conference（ECTC）上发表，并不断刷新微流体散热的性能指标，推动了高效热管理技术在集成电路领域的应用与发展。微米纳米加工技术全国重点实验室团队将继续在芯片两相冷却技术上攻坚克难，旨在通过先进微纳加工与芯片级冷却架构设计，进一步提升高热流密度条件下电子器件的散热能力与运行稳定性，为新一代高功率电子器件的热管理提供技术支撑。
