来源 | Applied Thermal Engineering

链接 | https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2025.129431

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背景介绍

AI 加速器、数据中心处理器等芯片功率密度快速提升，大面积芯片（如 25mm×30mm）因功能单元分区呈现强烈非均匀热流，导致热点形成、材料老化、计算精度下降。现有方案局限：传统直通道、普通歧管微通道（MMC）多适用于 < 10×10mm² 小面积或均匀热流，扩展至大面积时存在流量分配不均、带状温度梯度问题。急需开发适配大面积高功率芯片的冷却方案，同时实现 “高效散热” 与 “温度均匀性” 双重目标。

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成果掠影

近日，西安交通大学魏进家团队研究了一种与微针翅片集成的分布式射流微通道散热器。在均匀热源条件下，进行了实验，比较了受限歧管和分形分布式射流供应结构。分形设计显著提高了温度均匀性，将实验温度标准偏差从6.61 K降低到3.88 K。数值分析进一步揭示了潜在的机制：受限结构受到横流引起的分布不均的影响，而分形结构保持了均匀的射流冲击并抑制了传热死区。针对非均匀热源，开发了一种CFD驱动的自适应微针翅高度优化算法。在2000 W负载下，该方法将最大温差从22.0°C降低到5.9°C，并将温度标准偏差降低了85.6%，证明了高效的热点抑制。总体而言，结合分布式射流阵列、微针翅片和自适应高度优化，提供了一种高性能的冷却解决方案，能够实现高效散热和出色的温度均匀性，使其非常适合下一代大面积高功率芯片。研究成果“Numerical study of distributed jet microchannels with Micro-pin-fins: Structural comparison and temperature uniformity optimization”为题发表在《Applied Thermal Engineering》。

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图文导读

图1.两种供液方式示意图：（a）C型供液盖板，（b）C型流型，（c）C型微针翅表面基板，（d）C型换热方式，（e）F型换热方式，（f）F型供液盖板，（g）F型流型，（h）F型微针翅表面基板。

图2.几何结构和网格划分示意图：（a）C型几何结构，（b）C型网格，（c）微针翅网格细化，（d）F型几何结构，（e）F型网格和（f）微针翅网格细化。

图3.实验设置：（a）流动回路示意图，（b）高发射率模拟热源基板（碳黑表面处理），（c）模拟热源条形电阻，（d）集成组装测试板（芯片侧），（e）F型电源盖板图，（f）C型电源盖板图，（g）集成组装测试板（微针翅基板侧）。

图4.芯片底面的红外和模拟温度场：（a）C型芯片基座的红外热像，（b）C型芯片基座的模拟温度场，（c）F型芯片基座的红外热像，（d）F型芯片基座的模拟温度场。（q = 200 W·cm− 2，Tin = 20 ° C，Gin = 5 LPM，hpin = 0.6 mm，wpin = dpin = 0.3 mm）。

图5.（a）C型的网格独立性研究和（b）F型的网格独立性研究。

图6.芯片温度（最大值、最小值、平均值、差异）、不同类型的不同流速下的传热系数和压降（q = 123 W/cm²，Tin = 25 ° C）。

图7.现场数据：芯片温度、基板表面的传热系数和喷射孔流速（q = 123 W/cm²，Tin = 25 ℃，Gin = 5 LPM，hn = 1 mm）。

图8.芯片温度（最大、最小、平均、差异）、SS和PS基板的传热系数和流动压降（q = 123 W/cm²，Tin = 25 ° C，hpin = 0.6 mm，wpin = dpin = 0.3 mm）。

图9. Y = 2 mm时两种结构的横截面流场分布（q = 246 W/cm²，Tin = 25 ° C，Gin = 5 LPM，hpin = 0.6 mm，wpin = dpin = 0.3 mm）。

图10.现场数据：芯片温度、基板表面传热系数。（q = 246 W/cm²，Tin = 25 ° C，Gin = 5 LPM，hpin = 0.6 mm，wpin = dpin = 0.3 mm）。

图11.不同流量下C型微通道的喷孔流量分布。

图12.不同流量下F型和C型微通道的喷孔流量分布。

图13.两种工况下非均匀散热的热流分布。

图14.不同类型微通道和基板配置的非均匀热源芯片在低功耗模式下的芯片温度场分布：（a）具有SS基板的F型微通道，（b）具有SS基板的C型微通道和（c）具有PS基板的F型微通道，用于高热通量。（qlp = 123 W/cm²，qhp = 200 W/cm²，Tin = 25 ° C，Gin = 5 LPM，SS基板与PS基板（hpin = 0.6 mm，wpin = dpin = 0.3 mm））。

图15.不同hpin/hjet时的平均努塞尔数（q = 200 W/cm²，Tin = 25 ° C，djet = 1.8 mm，ljet = 3 mm，hpin = 1.0 mm，Gin = 3 LPM，wpin = dpin = 0.3 mm）。

图16.算法工作流程。

图17.高功率条件下的详细迭代过程。

图18.温度场和微针翅高度调节的演变：（a）迭代过程中温度场的比较;（b）基于S形的温度-高度映射;（c）n = 3和n = 15时的反馈调节行为。