芯片热管理新突破，西工大嵌入式 TSV 微流控冷却方案
来源 | Applied Thermal Engineering
链接 | https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2025.127699
01
背景介绍
在电子设备不断向 “更小、更密、更强” 进化的今天，三维集成电路（3D IC）技术凭借其能大幅提升芯片性能的优势，成为半导体领域的 “新宠”。它通过将芯片垂直堆叠，打破了传统二维布局的空间限制，让数据传输更快、功耗更低 —— 但这一突破性设计，也带来了一个棘手的 “副作用”：散热难。
随着集成密度越来越高，3D IC内部会形成局部热点，这些高温区域不仅会让芯片性能 “打折”，还会直接缩短其使用寿命。比如，当芯片运行高负载任务时，局部温度可能飙升至远超安全阈值，导致运算速度变慢、数据出错，甚至引发硬件损坏。
传统的散热方案早已 “力不从心”。美国国防高级研究计划局（DARPA）推进的 “ICECool” 项目，就将希望寄托在了微流控冷却技术上 —— 这种技术能让冷却液直接在芯片、基板和封装内部的热源点附近流动，精准 “带走” 热量，从根本上缓解热点问题，提升热分布均匀性。
与此同时，硅通孔（TSV）技术作为 3D IC 的核心互联方案，能大幅缩小互联尺寸、降低功耗，还能提升数据传输速度和信号完整性。但问题在于，将 TSV 结构嵌入 3D IC 后，热管理挑战变得更复杂了：层间高效散热、热应力缓解、界面可靠性保障，以及局部热流集中的管控，都是亟待解决的难题。如今一个关键方向逐渐清晰：将微流控冷却与 TSV 技术结合。这种融合不仅能兼容 TSV 的制造流程，还能实现 “近结冷却”（near-junction cooling），让散热效率和热稳定性再上一个台阶。但目前，能同时优化 TSV 阵列布局和微通道设计，兼顾散热性能与结构可靠性的集成方案还十分稀缺。
02
成果掠影
近日，西北工业大学微电子学院王少熙、汪钰成团队针对三维集成电路（3D IC）面临的高热流密度与局部热应力难题，构建了嵌入式硅通孔（TSV）结构的流固耦合微流控冷却模型。该团队通过计算流体动力学（CFD）模拟分析 TSV 阵列配置、微通道截面、流路拓扑及入口设计等对热性能的影响，发现采用波浪形与空腔型结合的变密度微通道布局，可在压降低于 20000 Pa 的同时实现约 15 K 降温；进一步用响应面法（RSM）和多目标遗传算法（MGA）优化空腔型微通道，获得 1.12 的性能增强系数（PEC），且模型对流热流密度达 1508.7 W/cm²、热阻 0.045 K/W；热应力分析表明，热源功率与 TSV 电流密度是应力集中主因，将 TSV 阵列远离热源并增大间距，可使 TSV 平均热应力降低约 50%、系统最大表面热应力降低约 32%，该研究建立的数值模型为 3D IC 微流控冷却优化提供量化基准，助力解决热挑战并提升系统可靠性。研究成果以“Study on microfluidic heat dissipation enhancement and thermal stress analysis in three-dimensional integrated circuit with through silicon via structures”为题发表在《Applied Thermal Engineering》。
03
图文导读
图 1：计算流体动力学（CFD）模拟流程图
图 2：含硅通孔（TSV）的微通道散热模型示意图
图 3：模拟结果与参考文献中实验数据的对比图
图 4：微通道散热结构的流动特性图（a）流体速度分布图（z-x 平面）；（b）通道入口处压力分布图；（c）嵌入式 TSV 微通道散热结构内部流体速度分布图（x-y 平面）；（d）中心微通道内流体速度流线图（z-x 平面）
图 5：微通道传热特性图（a）嵌入式 TSV 微通道散热模块稳态温度等高线图；（b）微通道内流体中的对流传热图；（c）热源芯片与微通道之间的导热传热图；（d）相邻微通道壁之间的导热传热图
图 6：微通道结构与性能参数对比图（a）直平行微通道结构；（b）锯齿形微通道结构；（c）收敛 - 发散型微通道结构；（d）波浪形微通道结构；（e）空腔型微通道结构；（f）五种通道形状设计的性能参数结果
图 7：不同头部结构的入口流体速度与流线图（a）矩形头部入口处流体速度与流线；（b）对称梯形头部入口处流体速度与流线；（c）三角形头部入口处流体速度与流线；（d）矩形头部微通道入口处流体速度与流线；（e）对称梯形头部微通道入口处流体速度与流线；（f）三角形头部微通道入口处流体速度与流线
图 8：1 μm×1 μm×1 μm 热点在芯片表面随机分布时，热源芯片表面的热分布图与最高温度点
图 9：热点在热源芯片表面随机分布时的热分布图
（a）热点表面随机分布对应的热源表面最高温度二维散点图；（b）热点随机分布时热源表面最高温度点所在区域
图 10：散热效率优化示意图
图 11：回归方程预测结果图
图 12：响应面分析四因素示意图
图 13：响应面分析结果图
图 14：响应面分析结果图（压力降ΔP）
图 15：多变量遗传算法（MGA）优化解集结果图
图 16：解集优化性能提升结果图
图 17：嵌入式 TSV 结构微流控冷却模型模拟结果示意图
（a）体积内温度分布图；（b）体积内冯・米塞斯应力分布图
图 18：微通道散热模型中硅通孔（TSV）分布示意图（a）TSV 阵列位于热源附近；（b）TSV 阵列远离热源分布