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本文聚焦电子散热难题，提出一种创新的两相冷却方案，利用微通道热沉、微柱毛细管结构及三维歧管流体通道（3D）。实验显示，该方案能有效控制两相流，使性能系数（COP）高达 105 ，为高性能电子系统热管理开辟新路径。
### 研究背景
随着电子芯片遵循摩尔定律不断小型化，其产生的热量急剧增加，传统间接或远程冷却系统难以满足散热需求。嵌入式冷却技术，尤其是将冷却技术直接集成在芯片上或芯片内部，成为解决这一问题的潜在方向。从单相冷却转向两相冷却具有吸引力，因为利用汽化潜热可实现更高的热通量。然而，两相流和传热的控制面临诸多挑战，如润湿、界面张力和不稳定性机制等，同时高临界热通量通常伴随着显著的压降和高泵送消耗。歧管在单相冷却中常用于降低流动阻力，但在两相冷却中，其对微通道热沉的两相流行为和传热性能的影响仍未完全明晰。
实验设计
本研究利用人工毛细管结构和歧管分布层设计用于芯片两相冷却的热沉。在平行微通道侧壁设计并制造微柱，与顶部歧管层结合形成微流体装置的三维流动路径。研究不同歧管几何形状和毛细管结构对微流体回路系统中水流沸腾性能和流动阻力的影响。实验使用水作为冷却剂，通过热压缩键合方法将微通道和歧管所在的两个硅基板融合，构成冷却剂的流动路径。
结果与讨论
- 与歧管结合的平行微通道内流动沸腾的特性：歧管采用两级流动设计，通过对比无歧管和不同歧管配置的微通道样本，研究其对冷却性能的影响。结果表明，增加歧管数量可提高临界热通量（CHF），这是因为缩短了每个单元微通道内冷却剂的流动距离，使其在完全干涸前流出通道。压力降方面，随着有效热通量增加，压力降先略有下降后显著上升。歧管 9× 在 CHF 为 705.6 W/cm2 时，压力降为 36.4 kPa，相比无歧管的微通道样本降低了 62%。但当歧管数量增加到一定程度，其对降低压力降的积极影响会减弱。沸腾曲线显示，起始沸腾需要约 20 K 的壁面过热度，过热度在沸腾起始后随有效热通量增加而上升，且对歧管几何形状的依赖较小。有效传热系数（HTC）随有效热通量增加而增加，受歧管几何形状影响较小。
- 具有毛细管结构的歧管微通道内强化流动沸腾：设计并对比了三种微流体芯片，分别为裸微通道芯片、微通道侧壁有 20μm 直径微柱的芯片以及在 “N” 形单元微通道入口处额外有 10μm 直径微柱的芯片。结果发现，微通道侧壁有微柱的芯片 CHF 最高，这可能是由于毛细管结构驱动的快速再润湿作用。而入口处有额外微柱限制的芯片 CHF 最低，可能是因为其阻碍了侧壁的再润湿。整体 HTC 方面，当出口蒸汽质量分数超过 0 时，微通道侧壁有微柱的芯片逐渐显示出更高的值。测量回流温度发现，微通道侧壁有微柱的芯片在高有效热通量下回流温度低且波动小，表明其能有效调节两相流，减少不稳定沸腾和蒸汽回流。对温度和压力降波动的研究表明，微通道侧壁有微柱的芯片在高有效热通量下，壁面温度和压力降波动减小，这可能是由于持续的液膜覆盖加热表面。
- 微通道内水流动沸腾的基准：将本研究设计的实验结果与文献对比，绘制 CHF 与 COP 的基准图。本研究中，由于采用了歧管和毛细管结构，实现了协同调节受限空间内的两相流沸腾，获得了高于 105 的 COP，出口蒸汽质量分数为 0.54，对应器件温度范围适合氮化镓基器件的散热需求。该结构的低流动阻力和仅几毫瓦的泵送功率消耗，显示出在嵌入式冷却应用中使用微型泵的潜力。
研究结论
本研究提出的电子热管理方法，通过在两相冷却系统中协同集成歧管分布层和毛细管结构，展现出显著优势。实现了高达 105 的 COP，CHF 达到 770 W/cm2 ，泵送功率仅 1.3 mW，相比传统微通道设计，压力降降低了 62%。该技术为解决两相冷却系统的主要挑战提供了方案，克服了以往冷却解决方案的局限性，适用于嵌入式冷却系统。展望未来，这项技术为人工智能（AI）芯片、碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等高功率电子器件的热管理开辟了新的可能性，有望推动更强大、紧凑和节能的电子设备发展。
