来源 | International Journal of Heat and Mass Transfer

链接 | https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.127885

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背景介绍

第三代半导体（SiC、GaN）因高电子饱和速度、击穿场强及功率密度，广泛用于 HEMT 等大功率器件，但芯片级热流密度常超 1000 W/cm²，且功率 IC 集成度提升进一步加剧发热。SiC 材料特性：4H n 型 SiC 热导率 310 W/(mK)，热阻仅 0.01129 K/W（为单相水冷的 0.9%、自然风冷的 0.001%），允许结温达175℃（硅片仅 85℃），适配两相沸腾冷却。热流密度过高易导致局部热点，引发热应力与器件失效，需创新冷却方案。

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成果掠影

近日，清华大学孙波团队针对第三代碳化硅（SiC）芯片（如 HEMT 器件）超 1000 W/cm² 的超高热流散热难题，提出一种嵌入式分层微通道多孔铜芯散热器，通过去离子水两相流沸腾实现高效冷却 。 该设计结合分配歧管与分层多孔铜芯，平衡大量气泡成核位点与优异渗透性，实验测得临界热流密度（CHF）达 1682 W/cm²，在 3.0 ml/s 流量下性能系数（COP）超19000（仅需 89 mW 泵功即可带走 1682 W/cm² 热流），较同流量单相微通道 COP 提升 3 倍；模拟预测 CHF 最高可达4000 W/cm²，且冷却过程中芯片温度均匀性优异，能缓解热应力，有效突破高功率电子器件热管理瓶颈，为 SiC 等宽禁带半导体散热提供核心方案。研究成果“Two-Phase Flow Boiling for Ultra-High Heat Flux SiC Chip Cooling”为题发表在《International Journal of Heat and Mass Transfer》

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图文导读

图1.嵌入式多级多孔铜芯散热器结构示意图及仿真设计。a）具有分级多孔歧管微通道（PMMC）的嵌入式热沉的结构图。b）歧管入口对传热系数（HTC）的影响。c）PMMC与平板结构在沸腾传热方面的比较。d）在2500 W/cm²热通量和3.8 ml/s流速下，不同AR的热工水力性能模拟结果的比较。

图2. SiC芯片与嵌入多孔Cu沸腾芯的SEM图像和照片。a）激光处理的铜歧管微通道和具有嵌入的多孔Cu沸腾芯的SiC芯片的照片。b - d）具有包括100 μm、50 μm和25 μm的不同宽度的平行微通道的多孔Cu沸腾芯的SEM图像。e）耐高温陶瓷芯片印刷电路板的照片。f）具有磁控溅射电极掩模的SiC芯片的上表面的照片。

图3.电极设计和焦耳效应热膨胀应力评估。a）碳化硅衬底中的Von Mises应力。b）加热回路的热通量为2500 W/cm²、对流传热系数为2×10^5 W/（m·K）时的温度分布。c）碳化硅衬底相对于冷却剂侧平面的偏移距离。d）蛇形电极的界面应力分布。

图4.微流控测试平台示意图及照片。a）微流控测试台示意图。b）微流控测试台照片。c）测试板的照片。d）PCB板的正面和背面，比例尺为1.5 cm。e）不锈钢磁控溅射掩模，用于制作设计的电极图案，比例尺为1cm。

图5.嵌入式散热器的热工水力性能测试。a）不同体积流量的热沉热通量和温升曲线。b）不同体积流量的传热系数和热流密度曲线。c）不同通道宽度和歧管下泵送功率与流量之间的关系。d）100 µm、50 µm和25 µm微通道宽度的COP和热阻。e）大流量下的热流密度两相流和单相流。实心标记表示实验数据，空心标记表示数值模拟数据。f）相变热压焓图。红色代表2 bar绝对压力下的最大散热功率，蓝色代表两相流，天蓝色代表相同压力下的单相流。

图6.温度均匀性、热阻分析和COP评估。a）加热区域上的温度均匀性。它是热物理性质的实验校准输入参数的数值模型结果。b）总热阻取决于通道宽度和蒸汽质量，流速为1 ml/s，热通量为200-1000 W/cm²。c）在不同流量下，25 μm微通道宽度和AR 4的总热阻击穿。热流密度为1500 W/cm²。d）在1 ml/s的流速和1000 W/cm²的热通量下在不同微通道宽度下的总热阻击穿。e）单相冷却、射流冲击和两相冷却的基准测试[9，14，16，18，21，27，34 -44]根据95%置信度椭圆收集了以前研究人员的数据。开放的星星符号表示预测值，而封闭的星星是测量值。