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浪潮&华科！开发新型微通道液冷散热器，芯片温度降 4.28K

#液冷

时间：2025年11月10日

来源 | Applied Thermal Engineering

链接 | https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2025.128740

背景介绍

在云计算、人工智能与 5G 通信技术高速发展的当下，高性能芯片的功率密度大幅提升，对热管理系统提出了极为严苛的要求 —— 有效的散热不仅是保障电子元器件可靠性、性能与使用寿命的关键，更是数据中心、大功率计算等场景突破技术瓶颈的核心环节。传统风冷技术因散热能力有限，已难以满足下一代电子设备的冷却需求，而液冷技术凭借更优异的热性能，逐渐成为主流选择。

液冷技术主要分为直接液冷（如浸没式、喷雾式、射流冲击冷却）与间接液冷，其中基于冷板散热器的间接液冷因结构紧凑、成本低、噪音小且技术成熟，在工程中应用广泛。不过，现有冷板通道设计仍存在短板：直微通道虽流动特性好、运行稳定且压降低，却因流量分布均匀性不足，无法解决空间非均匀热负荷下的芯片热点问题；拓扑优化结构虽能通过引导冷却液流向高发热区域实现高效散热，却常伴随流动阻力增大、几何结构复杂等问题，既增加冷却液泵送功耗，也给制造带来挑战。

更关键的是，当前研究中，将拓扑优化结构与传统微通道在统一设计框架下直接融合，以协同发挥两者优势的方案仍存在明显空白。为此，一种融合拓扑优化与微通道设计的新型液冷散热器被提出，其通过多目标优化框架平衡冷板平均温度与功率损耗，既保留微通道的优良流动特性，又借助拓扑优化区域强化散热，为高 heat flux 芯片冷却提供了更具实用性的技术方向。

成果掠影

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近日，华中科技大学邵双全团队携手浪潮集团李俊山针对高 heat flux 芯片散热难题，研发出融合拓扑优化与微通道设计的新型液冷散热器。该设计整合直微通道优良流动特性与拓扑优化结构高效散热优势，通过多目标优化框架实现冷板平均温度与功率损耗的双重最小化，平衡热性能与水力性能。与传统直微通道设计（Case A）相比，新型集成结构（Case D）实现 4.28 K 的芯片温度降低与 319.42 Pa 的压降减少，同时大幅提升温度均匀性；而拓扑优化结构（Case C）虽能使芯片最高温度降低 5.86 K，但集成设计在实用性与综合性能上更在不同 coolant 流量（0.3-0.8 L/min）、入口温度（293.15-303.15 K）及热 flux（20-100 W/cm²）条件下，集成设计均保持稳定高效性能。例如，当热 flux 为 100 W/cm² 时，提升 coolant 流量可使芯片最高温度降低 4.1 K，且热阻随流量增加显著下降，展现出对复杂工况的强适配性。为集成设计方案构建芯片最高温度预测关联模型，基于响应面法与 80 组参数化仿真数据训练，模型 R² 值达 0.999，测试集平均绝对误差 0.375、均方根误差 0.118，所有预测值与真实值偏差在 ±1% 以内，可快速估算热行为，为实时热控制与设计筛选提供实用工具。

该研究为高功率设备冷板设计提供可扩展策略，虽集成设计增加制造复杂度，但金属激光粉末床熔融等先进增材制造技术可实现其加工；未来有望拓展至电动汽车电池、航空航天电子等热管理关键领域，为相关场景提供高效散热解决方案。研究成果“Investigation on liquid-cooled heat sink integrating topology optimization and microchannel design for high heat flux chip cooling”为题发表在《Applied Thermal Engineering》。

图文导读

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