北大团队，3000 W/cm²超高热流密度芯片嵌入式液冷
来源 | nature electrical，北大力工学院
链接 | https://doi.org/10.1038/s41928-025-01449-4
01
背景介绍
电子芯片是前沿科技、国计民生和国家安全的基础保障。随着高性能计算、人工智能、电力电子和通信雷达等芯片的集成度和功率不断提高，其发热密度也不断攀升，部分芯片平均热流密度可高达千瓦每平方厘米（kW/cm²）级别，局部热流密度则更高。发热问题不仅会导致器件性能衰退、可靠性降低、寿命缩短，同时也带来显著的能耗挑战，比如数据中心的耗电量占全球电力超过1%，其中约40%用于热管理。
传统的封装以及风冷与冷板等技术受限于对流换热系数低、材料热导率低、界面热阻高等诸多因素，难以满足下一代芯片的散热需求。近年来，嵌入式微流冷却备受关注，该技术通过在芯片背部基底刻蚀和集成微通道，将冷却液直接输送至芯片结区热点附近，从而根本性地缩短热传导路径。然而，尽管已经不断逼近“零传导热阻”的理想状态，芯片尺度冷却热流密度仍难以超过2000 W/cm²。进一步强化对流换热虽然可以提升冷却性能，但往往也会大幅增加驱动流体所需的能耗。未来芯片如何高效冷却，是国内外公认亟需解决的重大难题。
02
成果掠影
近日，北京大学力学与工程科学学院能源与资源工程系宋柏研究员创新性地提出“歧管-微射流-锯齿微通道”复合嵌入式微流结构，使用单相水作为冷却液，实现了3000 W/cm²的超高热流密度芯片冷却，同时将单位面积冷却功耗降低至0.9 W/cm²。该设计基于硅基微机电系统（MEMS）标准工艺，直接在硅衬底背面刻蚀集成三层微流结构（图1）：顶部为变截面歧管层，交错进出口设计通过缩短冷却液在微通道内的流动距离将总体压降控制在极低水平；中间为微射流层，通过射流冲击微通道底部，抑制流动与热边界层，提升局部对流换热；底层构建锯齿微通道网络，有效缓解射流入口阻塞，并进一步增加对流换热面积、破坏流动及换热边界层，从而减小流阻与热阻（图2）。团队共测试了四种芯片变体，包括直通道（JMC, jet-enhanced manifold microchannel）和锯齿通道（sJMC, JMC with sawtooth wall），以及25微米和50微米两种典型通道宽度。研究成果以“Jet-enhanced manifold microchannel for cooling electronics up to a heat flux of 3000 W/cm²”为题发表在《Nature Electronics》
论文通讯作者为北京大学力学与工程科学学院能源与资源工程系宋柏研究员，同时得到了北京大学集成电路学院王玮教授的全力帮助。第一作者为宋柏课题组毕业生吴志鹄博士（现为香港理工大学博士后），参与作者还包括博士生肖维和毕业生何海宇博士。
03
清华曹炳阳教授团队受邀评述
清华大学曹炳阳教授团队受邀撰写了该评述文章。评述中指出当前芯片的热流密度已能达到数千W/cm2。传统风冷技术已难以满足需求，液冷技术因其高效的传热能力和减排优势逐渐成为关键选择。传统液冷主要依赖外部冷板的二维通道。新趋势是把三维微流体结构直接嵌入芯片背面，使冷却液更贴近热源，减少界面热阻。
文章介绍了北京大学宋柏教授团队的系统设计思路，采用了三层结构的嵌入式冷却系统分流层(Manifold)、微射流板(Jetplate)、锯齿状微通道(Sawtooth mi- crochannels)；冷却液先通过分流层进入，再由微射流冲击到微通道，加速混合并强化对流换热，最后流出。该结构能实现高达3,000 W/cm²的散热能力，而所需的泵浦功率仅为0.9 W/cm²。
与已有工作的比较，早期的微通道冷却仅能达到约790 W/cm²，且泵功率很高。单硅片微纳集成微通道在2020年已能超过1,700 W/cm²。这项新研究在散热性能与能效比上进一步突破。然而，随着未来芯片功率密度继续上升，还需要进一步研究微通道几何结构优化、微射流设计、冷却液选择、热管理材料(如金刚石薄膜)、芯片-冷却结构的协同设计等。这项研究提出了一种多硅片上集成分流层、微射流和锯齿微通道的三维嵌入式冷却方案，在低能耗下实现了前所未有的3,000 W/cm²散热能力，为下一代高性能芯片热管理提供了重要路径，但仍需解决几何优化、材料兼容性及大规模制造等挑战。研究成果以“Advancing cooling limits with 3D embedded microchannels”为题发表在《Nature Electronics》
04
图文导读
图1：微射流增强的嵌入式岐管微通道冷却芯片
图2： 微通道与电学器件层设计
实验结果显示该冷却技术性能优异：在120毫升每分钟的流量下，25微米宽通道的芯片热阻低至0.036 Kcm²/W（图3）；锯齿侧壁显著降低压降（例如，50微米宽通道下压降从76.9 kPa降至66.4 kPa），并维持或略优于直通道的冷却性能。在极限性能测试中，冷却超过1000 W/cm²的热流时该方案性能系数（COP）高达13000，此时芯片最大温升仅为65度。在3000 W/cm²的极限工况下，芯片最大温升控制在130度，同时压降低于50 kPa（图4）。
图3. 基础流动换热性能表征与比较
图4. 极限冷却性能测试及对比
该微射流增强的嵌入式岐管微通道冷却技术为电力电子和射频雷达等超高热流密度芯片的热管理提供了新思路、新方法、新器件，可同时显著提升冷却性能和能效，且无需依赖超高热导率基底和高性能热界面材料。更为关键的是，该技术采用标准硅基MEMS工艺制造，与现有集成电路产线兼容，在考虑产业化潜力的前提下，推动了芯片冷却技术极限散热能力的探索。
宋柏现任北京大学工学院能源与资源工程系研究员和副主任，先进制造与机器人系研究员，北京市工程科学与新兴技术高精尖创新中心Co-PI，以及微米/纳米加工技术国家级重点实验室研究员。于清华大学师从过增元院士获得学士和硕士学位，美国密歇根大学安娜堡分校师从Reddy和Meyhofer教授获得博士学位，并于麻省理工学院师从陈刚院士完成博士后工作。主要研究兴趣包括：纳米尺度近场热辐射、极限热导率与界面热导、奇异声子输运现象、超大整流比热二极管、不寻常同位素效应、高性能辐射热发电、芯片嵌入式微流冷却、以及限域空间传质等；
宋柏在热学领域学习研究近二十年，在基础理论、实验平台、微纳制造和先进材料等方面都有重要创新与突破，近年来有四篇论文发表于Science和Nature，五篇在Nature Nanotechnology等子刊发表。他创建了北京大学开放热学实验室，以便于“不守成规、不畏权威”地探讨和分享广泛存在于多领域中的冷热问题，结合实验、理论与计算，理解并调控关键材料、器件和系统中，热量在不同时空尺度和维度的产生、输运、转化和储存，洞悉机理并拓展极限。