来源 | IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology 

链接 | https://doi.org/10.1109/TCPMT.2026.3662797

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背景介绍

现代电子器件向高功率、高集成化发展，FinFET 向栅极全环绕纳米片演进带来严峻热挑战，微小温升即会降低器件稳定性和寿命，热界面材料（TIMs） 是芯片 - 散热器热传导的核心关键材料。TIMs 的有效热阻 REFF = RB（体相热阻）+ RC（接触热阻），其中RB=BLT/κTIM，RC为 TIM 与固体界面的接触电阻之和；提升填料负载是提高κTIM、降低RB的常规手段，但高填料负载（>70 vol%）会使复合材料模量提升 1-2 个数量级，降低柔顺性和润湿性，增加 BLT 和RC，形成RB 与 RC 的固有性能权衡。自组装单分子层（SAMs）可实现分子级的表面能调控，但现有研究未系统阐明 SAMs 链长对高负载 TIMs 的分散、流变、界面力学及宏观热性能的传导机制，缺乏可落地的分子设计规则。

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成果掠影

近日，北京怀柔实验室团队提出了一种新型的水冷散热器，其特点是集成了锯齿形翅片多并联伺服器（ZMPS）流动通道。该结构融合蛇形（强化换热）、平行（降低压降）、螺旋（提升均温性）通道的优势，并引入之字形微结构进一步强化换热；通过数值模拟与实验验证，该散热器在27 L/min 流量下仿真实现2.44 K/kW 热阻、13.9 kPa 压降，实验实测热阻 2 K/kW、压降 13 kPa，相较传统直通道散热器，热阻降低 34.9%、温度均匀性提升 80%、性能评价准则（PEC）提升 2.2 倍，且仿真与实验结果最大误差≤6%，模型可靠性高；研究还阐明了 ZMPS 散热器强化换热、管控压降、提升均温性的核心机制，完成了通道高度的参数优化，并指出了后续多参数协同优化、可靠性验证等研究方向，为高功率电子器件热管理提供了高效且实用的解决方案。研究成果以“Design and Evaluation of the Zigzag-fin Multiparallel Serpentine Heat Sink for IGCTs” 为题，发表于《IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology 》期刊。

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图文导读

图1.阀门结构示意图。

图2.（左） 5kA IGCT水冷散热器外形尺寸图。（右）散热器与IGCT的等效热路图。

图3 Rs vs. ΔP。

图4 本文研究了四种热沉的物理模型：（a）直热沉，（b）蛇形热沉，（c）螺旋热沉，（d）ZMPS热沉。

图5 ZMPS散热器示意图：（a）流体域，（b）通道（局部放大），（c）y方向横截面（局部）。

图6.模型边界条件。

图7.四种设计在qv = 24~48 L/min时ΔP与qv的关系.

图8.四种设计在qv = 27 L/min时通道高度（z=Hch/2）中心处横截面的压力等值线：（a）直线，（b）ZMPS，（c）螺旋，（d）蛇形。

图9.在qv = 27 L/min时，四种设计的通道高度（z=Hch/2）中心处横截面的速度等值线：（a）直线，（b）ZMPS，（c）螺旋，（d）蛇形。

图10.在qv = 24~48 L/min时，四种设计的Rs与qv的关系。

图11.在qv = 24~48 L/min时，四种设计的Nu与qv的关系。

图12.不同平均流速（vavg= 2、2.5、3、3.5 m/s）下四种设计的Nu。

图13.在qv = 27 L/min时，四种设计的散热器源表面和冷却剂流路上的温度等值线：（a）直线，（b）ZMPS，（c）螺旋，（d）蛇形。

图14.温度不均匀性评估的测量点位置

图15.在qv =24~48 L/min时，四种设计的ΔP与Rs的关系。

图16.测试平台。