来源 | International Journal of Heat and Mass Transfer

链接 | https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.127060

01

背景介绍

随着互联网产业的快速发展，芯片的使用越来越广泛，尤其是对于CPU、GPU以及其他行业中的IGBT芯片。随着芯片制造工艺的进步、芯片核心数量的增加以及芯片工作频率的提高，CPU芯片的散热需求也在不断上升。随着CPU热设计功耗（TDP）突破385W，传统风冷已无法满足100W/cm²以上的散热密度需求。微通道冷板虽能处理高热通量，但现有研究多简化芯片为均匀热源，忽略真实CPU封装的多层结构（芯片/TIM/IHS/PCB等），导致设计偏差。

02

成果掠影

近日，西安交通大学陶文铨院士团队提出一种商用CPU封装耦合冷却新方案，通过阶梯式微通道冷板实现CPU超强散热。团队通过对比Z型、U型、I型三种入口流道，发现I型流道性能表现最佳。增加微通道层数（MCLN）可降低流阻，但MCLN>5时出现无效通道，MCLN=9时压力降降低94.8%（仅37.51 Pa），MCLN=5时综合最优。随后，团队提出了一种阶梯式结构创新——基于I型9层冷板切除低温区通道（I-type-9L-CUT1），I-type-9L-CUT1的CPU功耗达278.48W，压力降仅523.46 Pa。此外，团队将I-type-9L-CUT1的热界面材料TIM2进行升级，用铟替代硅脂，热导率从5 W/mK提高到86 W/mK，CPU功耗再提升58.2W，具有最高的MPCPU和最低的热阻。最后，优化后的I-type-9L-CUT1冷板在0.3825 L/min流量下，CPU芯片平均热通量达206.5 W/cm²，压力降为523.5 Pa，泵功仅3.337 mW。研究成果以“Heat transfer and pressure drop characteristics of microchannel cold plate in commercial CPU-package cooling system”为题发表在《International Journal of Heat and Mass Transfer》期刊。

03

图文导读

图1.CPU封装的几何结构。 

图2.耦合CPU封装的前视图。

图3. “I-type-5L”CPcCPU几何结构的等轴测视图。

图4.CPcCPU的计算域和边界条件。

图5.三种类型歧管（Z型、U型和I型）的CPcCPU温度云图和速度大小云图。

图6.不同MCLN下I型CPcCPU在X和Z坐标中间截面的温度云图。

图7.基于I-type-9L的阶梯式多层微通道冷板设计过程。