等面积微流控冷却系统的热分析与多目标优化：面向高功率密度芯片的高效热管理解决方案

为解决高功率密度电子器件面临的散热挑战，研究人员针对等面积约束下的微流控冷却系统开展多目标优化研究。通过CFD模拟和实验验证，发现双周期锯齿形微通道(MC-D)较直通道降低10%对流热阻，优化后压降降低24.8%。该研究为芯片级热管理提供了可量化比较的设计框架，成果发表于《Results in Engineering》。

　　

随着集成电路技术发展，电子器件功率密度持续攀升，传统散热方案如空气冷却和液冷已难以满足3D IC等紧凑型器件的热管理需求。尤其在高热流密度应用中，局部温度过高会导致性能衰减甚至设备失效。微流控冷却技术因其高效率和小尺寸优势备受关注，但现有研究多忽略实际工程中固定的换热面积约束，导致性能评估缺乏可比性。

针对这一瓶颈，国内研究人员在《Results in Engineering》发表研究，系统评估了四种等面积微通道结构（平行直通道MC-S、单周期锯齿MC-M、双周期锯齿MC-D和贯穿流MC-C）的散热性能。研究创新性地将正交实验设计与NSGA-II多目标优化算法结合，为高密度电子器件的热管理提供了量化设计依据。

研究采用计算流体力学(CFD)模拟结合实验验证的方法。通过COMSOL Multiphysics建立三维耦合模型，设置1.2W热源功率和1-12 mL/min流速范围。采用光刻和深硅刻蚀技术制备微通道样品，实验平台集成蠕动泵和K型热电偶测温系统。关键参数包括Nusselt数、摩擦因子和性能评价准则(PEC)，通过网格独立性验证确保结果可靠性。

3.1 模拟与实验验证
研究发现MC-D在12 mL/min流速下Nusselt数比MC-S高9.78%，PEC值达1.084。流场可视化显示锯齿结构产生10倍于直通道的横向流速，促进冷热流体混合。实验与模拟温度偏差不超过3.32%，验证了模型准确性。

3.2 热阻特性分析
将总热阻分解为传导、对流和热容分量。MC-D对流热阻比MC-S低11.4%，热容阻力主导变化趋势，在9 mL/min后趋于稳定。通过流结构优化可突破单纯提高流速的散热极限。

3.3 算法优化
正交实验确定MC-C的关键参数为槽口位置(R_B)，MC-D为周期数。NSGA-II优化使MC-C压降降低14.4%，MC-D在6周期/3mm振幅配置下实现24.8%压降缩减和1.39%温降。

该研究证实几何优化可突破等面积约束下的散热瓶颈：锯齿结构通过Dean涡增强换热，而贯穿流设计在高压降下表现更优。创新性地建立"热阻分解-参数敏感度-PEC评价"三位一体的优化框架，为芯片级冷却系统提供可定制的设计解集。未来可拓展至纳米流体工质和瞬态工况研究，推动微流控冷却技术在实际电子系统中的应用。