中科院广州能源所&港城大&英维克：微通道优化设计，搞定 800W 芯片高温散热
来源 | International Journal of Heat and Fluid Flow
链接 | https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2025.110054
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背景介绍
微电子行业向高功率、高集成度发展，芯片功率突破 300W，特种芯片达 700W 以上，传统风冷无法满足散热需求；现有微通道散热器（MCHS）存在压降高、均温性差，射流冷却存在覆盖范围有限、射流干扰问题，仿生叶脉微通道耦合射流系统（LJ-MCHS）存在孔隙率低、有效散热面积小的缺陷；同时，矿物油作为安全绝缘冷却剂，在高功率芯片散热场景应用不足。
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成果掠影
近日，中国科学院广州能源转换研究所、香港城市大学联合深圳市英维克科技股份有限公司团队提出了一种应对高功率芯片热管理挑战的新方法。该方法涉及设计一种带导流通道的新型荷叶脉微通道耦合射流冲击散热系统。该系统通过引入导流通道对仿生荷叶脉网络结构进行了改进。研究采用数值模拟方法，以矿物油为冷却工质，对发热功率为800 W的电子芯片进行冷却，并系统分析了导流通道形状、导流通道间距及微通道高度等参数对该系统流动换热性能的影响规律。研究结果表明，圆形导流通道在压降变化最小的同时表现出最优的传热强化性能，与基础仿生结构相比，可使800 W芯片的最高温度降低达8.47%，热阻降低14.24%，温差减小20.50%。研究还观察到，随着通道间距减小，芯片温度逐渐降低。增加微通道高度有助于降低压降和芯片温度，但强化效果随微通道高度增加而趋于减弱。本研究为高功率芯片的热设计提供了新思路和优化方案，具有重要的理论意义和实际应用价值。研究成果以“Performance study of a biomimetic leaf vein microchannel coupled jet impingement system for high-power chip thermal management”为题发表在《International Journal of Heat and Fluid Flow》期刊。
03
图文导读
图1.（a）LJ-MCHS轴向侧视图;（B）LJ-MCHS俯视图;（c）LJ-MCHS侧视图。
图2.计算域的示意图，其中蓝色区域为流体域，黄色区域为固体域。
图3.模拟中采用的网格结构。
图4.网格独立性测试结果。
图5.实验系统。
图6.芯片平均温度的实验验证结果。
图7.（a）.基本型LJ-MCHS;（b）.四边形引水渠（QDLJ-MCHS）;（c）.八角形引水渠（ODLJ-MCHS）;（d）.圆形引水渠（CDLJ-MCHS）。
图8.不同冷却结构的压降。
图9.不同冷却结构的速度分布云图。（Q = 2.54 L/min）（a）基本LJ-MCHS;（b）QDLJ-MCHS;（c）ODLJ-MCHS;（d）CDLJ-MCHS.
图10.不同冷却结构的速度分布云图。（Q = 3.73 L/min）（a）基本LJ-MCHS;（b）QDLJ-MCHS;（c）ODLJ-MCHS;（d）CDLJ-MCHS.
图11.不同冷却结构的速度分布云图。（Q = 5.43 L/min）（a）基本LJ-MCHS;（b）QDLJ-MCHS;（c）ODLJ-MCHS;（d）CDLJ-MCHS.
图12.不同流动条件和不同冷却结构下的平均和最高芯片温度。
图13.不同冷却结构下的芯片温差。
图14.不同冷却结构（Q = 5.43 L/min）在特征平面（z = 2）上的速度分布矢量图：（a）.基本LJ-MCHS;（b）.QDLJ-MCHS;（c）.ODLJ-MCHS;（d）.CDLJ-MCHS。
图15.不同DLJ-MCHS（a）.Basic LJ-MCHS;（b）.QDLJ-MCHS;（c）.ODLJ-MCHS;（d）.CDLJ-MCHS（流速Q = 5.43 L/min，温度单位：℃）作用下芯片上表面（即与热沉接触面）温度分布云图。
图16.相关结构参数设计示意图。
图17.不同导流通道间距的DLJ-MCHS压降
图18. DLJ-MCHS不同导流通道间距的流道压力分布云图。
图19.芯片（a）.最高和平均温度（b）.不同导流通道间距DLJ-MCHS作用下的温差。
图20.不同导流通道间距下DLJ-MCHS作用下芯片上表面温度分布云图（流量Q = 3.73 L/min，温度单位：℃）。
图21.不同流动条件下不同微通道高度的DLJ-MCHS压降分布。
图22.在不同冷却剂流量条件下，不同微通道高度的DLJ-MCHS作用下的最高和平均芯片温度。
图23. DLJ-MCHS作用下不同微通道高度的芯片上表面温度分布云图（流速Q = 5.43 L/min，温度单位：℃）。
图24. DLJ-MCHS翅片在不同微通道高度下的温度分布云图（流量Q = 5.43 L/min，温度单位：℃）。
