来源 | International Communications in Heat and Mass Transfer

链接 | https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2026.110866

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背景

2.5D/3D 集成技术通过硅通孔（TSV）实现芯片垂直堆叠，提升了集成密度和传输效率，但导致功率密度急剧升高，3D 集成器件功率密度可达1 kW/cm²，局部热点甚至超5 kW/cm²，热失效风险显著增加。传统散热方式依赖外接散热器和热界面材料，芯片与散热器间温度梯度超 20 K，且体积庞大限制系统小型化；片上微流道冷却技术直接将微通道嵌入芯片基底，将热源到冷却液的传热路径缩短至亚毫米级，大幅降低寄生热阻。现有微流道冷却方案中，TSV 与微通道存在空间竞争，且高宽比 TSV 制备工艺复杂、成本高，而将微通道嵌入 TSV 中介层可规避片上空间竞争，成为新型解决方案。

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成果掠影

近日，南京理工大学陈雪梅等团队设计并制备了内嵌微流道冷却的 TSV 中介层，结合实验与数值模拟系统探究了非均匀功率分布下的流动和共轭传热特性，重点分析微针肋几何形状（圆柱、方形、三角形）和排布方式（顺排、错排） 对冷却效率、压降及温度均匀性的影响；研究发现错排方形微针肋实现最优热工综合性能，PEC 值达1.57，高导热铜 TSV 兼具电互连和高效热传导双重作用，优化热源分布后 Chip1 和 Chip2 在热流密度分别为145 W/cm²、105 W/cm²时达最低峰值温度，150 W/cm²、100 W/cm²时温度均匀性最佳，该构型兼具低峰值温度和优异温度均匀性，为 2.5D 集成系统热管理提供了实用方案。研究成果以“Flow and heat transfer characteristics of embedded microfluidic cooling in TSV interposer for 2.5D packaging” 为题，发表于《International Communications in Heat and Mass Transfer》期刊。

03

图文导读

图1.具有嵌入式微流体冷却的2.5D包装的示意图。

图2.具有嵌入式微流体冷却的TSV中介层的工艺。

图3.制造好的TSV插入层的代表性图像。（a）硅-硅直接键合之前的微型针鳍的SEM图像;（b）硅-硅直接键合界面的SEM横截面图像;（c）TSV填充之前的TSV孔的光学俯视图;（d）TSV阵列的SEM俯视图;（e）嵌入微型针鳍阵列内的TSV的SEM横截面图像;（f）TSV阵列的X射线图像。

图4.实验装置：（a）试验车辆示意图;（b）试验车辆照片;（c）封闭流体流动回路。

图5.计算模型示意图。

图6.网格独立性检验的验证。

图7.实验结果与数值结果的比较。

图8.不同几何形状的平行排列微针翅的Tmax和ΔP随雷诺数的变化。

图9 不同微针翅几何形状下TSV转接板加热面的温度分布。（a）圆柱形；（b）方形；（c）逆向排列三角形；（d）异向排列三角形。

图10.不同微针翅几何形状的平行排列微通道中心截面的流速和流线分布图。（a）圆柱形;（B）方形;（c）逆向排列三角形；（d）异向排列三角形。

图11.交错排列的不同几何形状的微针翅的Tmax和ΔP随雷诺数的变化。

图12.交错排列的不同微针翅几何形状的微通道中心横截面的流速和流线分布图。（a）圆柱形;（B）正方形;（c）逆向排列三角形；（d）异向排列三角形。

图13.不同微扰流器几何形状和排列方式下Nu和f随雷诺数的变化（实心符号表示平行排列，空心符号表示交错排列）。

图14.具有不同微针翅几何形状和布置的微通道的PEC作为雷诺数的函数（实心符号表示平行布置，而空心符号表示交错布置）。

图15.平行微针翅之最高温度及温度变化系数随热流密度分布之变化。

图16.不同热流密度配置下TSV中介层表面温度分布。

图17.交错排列微柱鳍之最高温度与温度变化系数随热流密度分布之变化。

图18.不同微针翅几何形状和排列方式的Tmax和CVT最小值的比较。