近日，我院王少熙课题组在针对集成内嵌微通道液冷芯片散热技术研究中取得重要进展，研究成果先后发表发表于散热领域期刊《APPLIED THERMAL ENGINEERING》、《ENGINEERING APPLICATIONS OF ARTIFICIAL INTELLIGENCE》、《RESULTS IN ENGINEERING》和《JOURNAL OF THERMAL SCIENCE》，相关研究进展已被多个行业专业平台及媒体报道。
图1 TSV内嵌微流散热多目标优化算法流程图
高热流密度和局部热应力长期以来一直是影响三维集成电路（3D IC）性能的关键因素。团队开发了一种包含嵌入式硅通孔（TSV）结构的流体-固体耦合模型，用于设计增强型微流体冷却系统。通过计算流体动力学模拟，对不同TSV阵列配置、微通道截面、流道拓扑结构及入口设计的热性能进行了分析。研究结果表明，采用波形结构和腔体结构的可变密度微通道布局可实现约15K的温度降低，同时保持压降低于20,000帕。通过响应曲面法和多目标遗传算法对腔体型微通道进行优化，性能增强系数达到1.12。此外，本研究还分析了嵌入式TSV微流体冷却结构内的热应力分布，发现热源功率和TSV电流密度是导致应力集中现象的主要因素。研究还验证了增大TSV阵列间距、将TSV远离发热芯片布局等措施能有效缓解该问题。所开发的数值模型为优化3D IC微流体冷却提供了定量基准，为缓解热挑战、提升系统整体可靠性奠定了基础。成果以“Study on microfluidic heat dissipation enhancement and thermal stress analysis in three-dimensional integrated circuit with through silicon via structures”发表于《APPLIED THERMAL ENGINEERING》。（散热权威期刊）
图2 不同微通道结构在不同流速下的温度等值线分布、热源最高温度与压降对比分析、液态金属与水在热源最高温度和压降上对比分析
高热流密度是制约微型化高功率微电子系统性能与可靠性的关键因素。团队提出了一种基于液态金属（LM）的微流体冷却系统，通过数据驱动的计算框架优化改进的遗传算法（LC-GA），旨在为高密度集成系统提供高效的热管理解决方案。通过在硅基板上集成LM近端冷却与微通道散热技术，团队开发出一种异构三维互连冷却架构，能够通过算法引导的参数调优实现热性能优化。为验证该方法，我们设计、制备并实验测试了四种不同微通道结构。将LM引入通道后，对模拟热源进行了实验冷却测试和热性能仿真。实验结果表明，通过计算参数确定优化的LM微流体冷却系统，可有效散热功率高达800W的芯片，同时保持稳定热性能。此外，结合响应曲面法与改进的LC-GA进行多因素敏感性分析和多目标优化，实现了热阻与压降平衡的最优设计参数和运行参数的自动确定。优化后的配置将芯片最高温度降至约357.54K，降低了系统压力要求，并将性能评估标准（PEC）提升至2.327。本研究提出了一种数据驱动的优化方案，通过算法辅助的热设计支持高性能集成微系统开发。成果以“Liquid metal microfluidic cooling system for high-efficiency thermal management via learning-based genetic algorithm”发表于《ENGINEERING APPLICATIONS OF ARTIFICIAL INTELLIGENCE》。（1区TOP）
图3 温度与压降响应曲面拟合结果以及设计空间内热力与水力性能分布
微流控冷却技术在应对电力电子系统日益严峻的热管理挑战方面展现出巨大潜力。然而，现有结构设计大多未考虑固定传热面积的限制，这限制了性能评估的实际应用价值和可比性。团队通过保持传热面积恒定，系统探究不同微通道几何结构对冷却性能的影响。选取四种典型微通道设计方案，深入分析结构差异对热管理效率的影响。采用计算流体动力学（CFD）模拟技术，评估温度分布、压降、努塞尔数及热阻随流速变化的规律，并运用性能评估准则（PEC）对各设计方案进行全面评估。实验结果表明，与直通道设计相比，之字形微通道可使对流热阻降低高达10%。其中双周期之字形结构的性能评估准则值最高。CFD模拟结果与实验数据吻合良好，最大偏差仅为3%，验证了模型的准确性。此外，通过正交实验设计结合多目标优化算法，成功实现了平均热源温度与压降的双重优化。优化方案使贯通式流道（MC-C）的压降降低了14.4%，双周期之字形流道（MC-D）的压降更是达到了24.8%。该解决方案集提供了灵活的设计选择方案，可根据具体需求调整优先级。这项研究为微流道设计提供了实用方法，其研究成果为高热流密度芯片的热管理策略提供了重要参考。成果以“Thermal analysis and multi-objective optimization of equal-area microfluidic cooling systems”发表于《RESULTS IN ENGINEERING》。
图4 液态金属模具的微通道制造方法及示意图
作为新兴的散热解决方案，采用液态金属作为芯片冷却介质的技术已成为众多经典研究的主题。这种高度关注源于液态金属在应对三维集成电路带来的热管理挑战时所展现出的实用性和广泛适用性。凭借其卓越的传热特性，液态金属展现出显著潜力，有望取代传统传热流体。与传统芯片冷却方法相比，基于液态金属的技术具有更高的散热效率和更优的性能表现。团队系统分析了液态金属芯片冷却领域的研究成果，将发现归纳为五大核心方向：冷却介质选择、通道设计、驱动泵分析、系统性能评估方法以及液态金属微流控芯片散热系统的协同设计。这篇全面综述旨在为液态金属芯片冷却技术提供理论参考和技术指导。成果以“Liquid Metal-Based Chip Cooling Technologies”发表于《JOURNAL OF THERMAL SCIENCE》。（散热综述）
图/文：汪钰成
审核：王少熙
