来源 | Device 

链接 | https://doi.org/10.1016/j.device.2026.101123

01

背景

随着电子设备（从移动终端到AI芯片）集成度与功耗持续攀升，散热已成为性能提升的关键瓶颈。传统的风冷和泵驱液冷在紧凑空间中受限，而超薄热地平面（UTTGP） 利用毛细力驱动的气液相变传热，可实现远超纯铜（~400 W/m·K）和金刚石（~2000 W/m·K）的等效导热系数（>10,000 W/m·K），且无需主动部件。依托液汽相变散热优势突出，但厚度低于 0.4mm 时性能急剧衰减，传统堆叠 / 平行芯结构无法兼顾换热面积与流体阻力，亟需新型结构突破。

02

成果掠影

近日，北京大学杨荣贵团队设计了厚度仅 0.25mm的超薄超导热地面平面（UTTGP），通过分区芯结构设计突破超薄（＜0.4mm）下的传热性能衰减瓶颈；在蒸发/冷凝区采用堆叠双层微网强化相变，在绝热区采用平行气液通道降低流动阻力——首次在亚0.4 mm厚度下实现了超越大多数更厚UTTGP的传热性能，器件最大等效热导率达 17213 W/(m・K)，最大传热功率较现有同厚度产品提升59%–286%，具备快速动态热响应、多朝向适配性与300 次循环 / 175 小时长期稳定性，为未来紧凑型电子设备的高效热管理提供了切实可行的解决方案。研究成果以“A 0.25-mm-thick ultra-conductive thermal ground plane for cooling compact electronics” 为题，发表于《Device 》期刊。

03

图文导读

图1。超导电UTTGP的设计和工作原理示意图（A）超导电UTTG内部的区域分区芯设计。这些堆叠的微孔和平行芯是低成本和可扩展的制造。（B） 相变区域中的堆叠芯结构（蚀刻有大量微腔的双层微网）。（C） 在液气传输区域，由单层微孔和微柱阵列组成的平行芯结构。

图2:堆叠芯结构的增强蒸发传热（A）堆叠和平行芯结构的热通量与过热。在CHF条件下捕获干燥区域的可视化。由于传热面积大大扩大，堆叠芯结构的CHF比平行芯结构高303.9%。（B） 传热系数与热通量。堆叠芯结构的最大HTC比平行芯结构高93.3%。

图3。低阻力液体蒸汽输送的平行芯结构（A）毛细液体芯吸性能。与相同芯厚度为0.15mm的堆叠微孔芯（W=15.67mm/s0.5）相比，平行芯结构实现了21.5mm/s0.5的更高毛细管性能系数W。（B） 理论计算得到的蒸汽压降比较。在给定的输入功率Q为5 W时，平行芯设计的压降比0.25 mm厚、蒸汽通道为0.15 mm的UTTGP中的堆叠配置低93%。

图4。超导电UTTGP的稳态运行特性（A）传热性能测试实验装置。（B） 不同加热输入功率下区域分割增强型UTTGP（UTTGP-RPE）在水平方向上的温度分布。（C） UTTGP-RPE和两个基准UTTGP之间的热阻比较。UTTGP-S和UTTGP-P分别仅采用堆叠和平行芯结构。（D） UTTGP-RPE和0.25mm厚铜板在10.0 W下的红外热图像。

图 5 填充比对超导电UTTGP（A）热阻R的影响。（B） 等效导热系数keff。

图6。放置方向对五种放置方向的超导电UTTGP（A）示意图的影响。（B） 不同加热输入功率下的等效导热系数。

图7。超导电UTTGP的动态运行特性（A）UTTGP-RPE在逐步功率增量（2.0-12.5 W）下的启动性能。UTTGP-RPE响应迅速，特别是在高加热输入功率水平下，这是由于增强的液气相变传热和强化的液气输送。（B） UTTGP-RPE和0.25mm厚铜板在逐步加载下的响应时间比较。与铜板相比，UTTGP-RPE表现出更快的热响应。（C） UTTGP-RPE在高功率脉冲操作（4.0-10.0 W）下的瞬态响应。UTTGP-RPE显示出良好的热稳定性，有效地恢复到其初始稳态。（D） 在从10.0 W恢复到4.0 W的过程中，UTTGP-RPE和0.25 mm厚铜板之间的响应时间和稳态蒸发器温度的比较。UTTGP-RPE适用于高功率脉冲负载，响应时间短，蒸发器温度低。

图8。设备级瞬态热响应测试（A）设备级瞬态温度响应测试的实验装置。（B） UTTGP的瞬态温度响应。（C） 0.25mm厚铜板的瞬态温度响应。

图9。超导电UTTGP的全天候循环耐久性（A）在50℃以下的三个代表性阶跃功率循环中的温度和加热输入功率分布◦C水冷。在每个循环中，加热输入功率以2.0W的增量从2.0W逐步增加到12.0W。（B） 在持续175小时的300次循环中热阻的演变。10.0 W下的热阻作为性能参考。

图10。所提出的超导电UTTGP与文献中0.7mm以下的其他UTTGP之间的传热性能比较（A）等效导热系数。超导电UTTGP的等效导热系数为17213 W/（m⋅K），比厚度小于0.4 mm的金属基UTTGP提高了38-85%。（B） 最大传热功率。超导电UTTGP的最大传热功率超过了一些厚度大于0.4mm的UTTGP。

图11。具有不同传热方向的两种TGP配置示意图（A）横向传热配置。（B） 全厚度传热配置。