综述：高功率集成处理器先进芯片级热管理技术：综述

《Energies》：Advanced Chip-Level Thermal Management Technologies for High-Power Integrated Processors: A Review

　　

现代高功率集成处理器的功率密度持续快速上升。其中，基于芯粒（chiplet-based）的高功率AI加速器局部峰值热流密度超过1 kW/cm²，导致热点集中、严重内部温度梯度、器件性能退化与可靠性恶化。传统散热方法受串联界面热阻（interfacial thermal resistance）瓶颈限制，无法满足复杂集成架构的冷却需求。芯片级热管理（chip-level thermal management）作为抑制热源附近热点并降低系统总热阻的核心方法，可保证高功率集成处理器的长期稳定运行，并在提高计算平台能效与使用寿命方面发挥关键作用。研究人员系统综述了面向高功率集成处理器的主流芯片级热管理技术，涵盖高热导率衬底（high-thermal-conductivity substrates）的异质集成、嵌入式微通道液冷（embedded microchannel liquid cooling）、固态主动热泵（solid-state active heat pumps）、多物理场协同设计（multi-physics co-design）以及先进封装制造工艺。详细阐述了每种冷却技术的基本工作原理与最新研究进展，总结了包括超高热流密度耐受性、封装工艺兼容性、流体泄漏风险与多层界面热阻在内的共性工程瓶颈，并明确了该领域的未来发展趋势。本综述可为各类高功率集成处理器，尤其是高算力AI加速器的近结热管理方案的结构设计和大规模工程实施提供全面的理论指导。

**2. Heat Generation Characteristics and Thermal Challenges of High-Power Integrated Processors**

**2.1. Dual Rise in Power Consumption and Heat Flux Density**：随着摩尔定律与登纳德缩放比例的失效，半导体器件功率密度不再随工艺微缩而降低，人工智能时代计算需求的指数增长使AI加速器功耗从约400 W（NVIDIA A100）升至700 W（H100）甚至更高，局部热点热流密度已超过1 kW/cm²。2.5D/3D芯粒（chiplet）异质集成架构在提升带宽与良率的同时引入前所未有的热耦合问题：相邻芯粒通过硅中介层（silicon interposer）、微凸点（micro-bumps）和再分布层（RDL）形成显著热交互路径，主动芯片的热量横向传导至邻近被动芯片导致其显著温升，且随着芯粒间距从0.5 mm降至0.1 mm，被动芯片最大温升可增加近三倍。单点优化方法（如仅提高热界面材料（TIM）导热率）忽略多尺度热耦合的非线性特性，在3D堆叠中多个键合界面、硅通孔（TSV）和底部填充层（underfill）形成复杂各向异性导热路径，单纯降低某一部分热阻往往不足以抑制整体热交互，甚至可能加剧热点间热耦合。傅里叶定律与牛顿冷却定律定量表明：硅基衬底导热率仅约150 W/(m·K)无法承受1 kW/cm²局部热流所需的巨大温度梯度；空气强制对流传热系数仅50–250 W/(m²·K)，对于300 W/cm²的热流所需温差达数千开尔文，物理上不可行，而单相液冷（10³–10⁴ W/(m²·K)）可降低一个数量级温差，从而论证了先进液冷的必要性。

**2.2. Thermal Management Complexity Brought by Chiplet and 3D IC Architectures**：芯粒（chiplet）与3D IC架构通过异质集成与垂直堆叠打破了传统单片芯片的性能与面积瓶颈，但显著增加了热管理复杂性。早期研究指出TSV、微凸点与多层界面材料在垂直堆叠结构中形成高阻传热网络，加剧层间热阻与内部温度梯度。动态负载进一步放大了瞬态温度梯度，局部热点热量迅速扩散至各堆叠层，增加了互连结构的热应力失效风险。水平方向上，不同功能芯粒功耗分布不均导致极高热流密度局部热点，跨芯粒水平热串扰（thermal crosstalk）使温度不均匀性恶化。从静态热阻瓶颈到动态层间耦合，再到水平热串扰，表明高功率AI芯片的热挑战是垂直堆叠、异质集成和动态工作负载共同作用的系统性问题，传统稳态热设计方法已不适用。

**2.3. Limitations of Air Cooling and the Necessity of Liquid Cooling for High-Power Integrated Processors**：空气冷却受物理极限限制，单机柜最大散热能力仅15–20 kW，而高功率AI芯片功耗700–1500 W，单机柜功率密度超50 kW，远超空冷承载能力。空冷风扇功耗随风速立方增长，在数据中心中空冷能耗占总服务器功耗的43%，而液冷仅占9%。芯片在空冷下温度波动大，相同入口温度时GPU温度显著高于液冷。液冷具有更强传热性能：单相液冷传热系数10³–10⁴ W/(m²·K)，两相冷却可达10⁴–10⁵ W/(m²·K)，在2.5D/3D堆叠芯片中空冷下热点温差超25 K，液冷可控制在5 K以内。此外浸没液冷可将PUE降至1.1以下。因此液冷是解决高功率AI芯片热挑战的必然选择。

**3. High-Efficiency Thermal Management Technologies**

**3.1. Near-Junction Liquid Cooling Technology**：近结液冷技术将冷却介质直接引入芯片有源结面附近，通过内嵌微通道使冷却液流经近源区域，大幅缩短传热路径并降低界面热阻，可高效耗散超过300 W/cm²的极高热流密度，并缓解局部热点问题。

**3.1.1. Microchannel Liquid Cooling**：微通道液冷通过在芯片表面或内部制造微米级流道，消除硅衬底和TIM的热阻瓶颈。直通单相微通道结构简单但受限于流体边界层充分发展，传热受限。周期性肋片微通道可增强湍流与换热面积但增大流阻。歧管微通道（manifold microchannel）通过多路进液分流缩短单通道流程，平衡流阻与换热并优化温度均匀性，但单相显热传热仍无法满足超高热流。嵌入式微通道使流道紧邻有源区，最大限度减小衬底热阻，但晶圆密封难度高。两相微通道利用工质相变潜热承受更高热负荷，微针鳍阵列提升成核点密度与临界热流（CHF），金刚石复合多孔两相微槽结构可处理千瓦级局部热点，但金刚石衬底成本高。膜基微蒸发器通过疏水膜实现自动气液分离，低成本但高温下膜易降解。歧管微通道可解决单通道流程过长与流量分配不均问题，基础双层歧管通过两级分流改善分布，层级阵列两相歧管增设多级液体分配缩短换热行程并降低压降，三维嵌入式歧管实现空间多路分配，芯片-流道集成歧管消除键合界面热阻但成型工艺复杂。综合考虑，肋片与分流单相微通道适用于中低功耗通用芯片；金刚石复合两相微槽适用于尖端计算芯片但成本高；嵌入式微通道适用于定制军用芯片；三维层级歧管微通道当前是芯粒和3D堆叠AI芯片的最佳方案。

**3.1.2. Direct Jet Impingement Cooling**：直接射流冲击冷却（jet impingement cooling）采用高精度喷嘴阵列垂直冲击芯片热源表面，打破层流热边界层，获得极高局部对流传热系数。单离散喷嘴结构简单但覆盖范围小且存在严重横向交叉流（crossflow）导致边缘换热衰减。硅基集成微喷嘴阵列通过标准阵列布局实现全表面覆盖并精确控制几何参数，但单腔统一集液仍产生交叉流干扰。3D打印集成一体化多喷嘴模块简化制造并消除泄漏风险，但未改变集液结构。分区交错进出液分布式射流（distributed jet）彻底重构流道拓扑，将全芯片统一集液改为各子区独立供排液，物理阻断高温废液横向扩散，大幅抑制交叉流并改善温度均匀性。分布式射流是当前最适合大尺寸、不均匀热源高功率AI芯片的射流方案。

**3.1.3. Cold Plate Liquid Cooling**：冷板液冷（cold plate liquid cooling）将内嵌密封流道的金属冷板附着于芯片封装外表面，通过TIM填充装配间隙。连续蛇形通道冷板结构简单成本低，但弯头涡流损失大导致压降高。内斜肋强化冷板通过阵列斜肋增大有效换热面积，但固定布局无法自适应大尺寸芯片。网格分流冷板采用一进多出网格布局，均匀分配流量，适用于芯粒多裸片封装，但加工复杂。拓扑优化增材制造纯铜冷板通过适应热负荷分布布置流道密度，相比传统针鳍冷板热阻降低30%、压降降低68%，但技术门槛高成本昂贵。四种冷板分别适用于不同功耗等级与集成度需求。

**3.1.4. Immersion Liquid Cooling**：浸没液冷（immersion liquid cooling）将电子组件完全浸入介电冷却液，通过单相对流或沸腾相变实现全域散热。单相矿物油方案低成本但高粘度、低传热系数。两相氟化流体（如HFE-7100）利用潜热，锯齿通道增强沸腾换热并提高CHF。优化服务器间距可将PUE降至1.037。T型进液结构配合热管基板可降低系统热阻。双面多孔烧结平板热管复合浸没方案实现单芯片1200 W无源散热，远超传统浸没极限。对于多芯片模块，加装挡板结构可将温度均匀性系数降低63.08%。技术演化涵盖工质优化、通道强化、机柜布局、腔体结构及内嵌均热组件。

**3.2. Chip Package-Level Thermal Management**

**3.2.1. Thermal Interface Materials**：热界面材料（TIM）填充芯片与散热器间微米间隙以降低接触热阻。传统聚合物TIM在功率密度超300 W/cm²后无法满足需求。液态金属（liquid metal）具有极低界面热阻但易泄漏，机械化学介导的胶态液态金属通过液-固互锁结构同时实现高热流耗散与防泄漏。金刚石复合TIM受界面热阻限制，梯度界面改性策略（gradient interfacial modification）通过碳化物过渡层削弱声子散射并开通高效热传输路径。形态可控液态金属/金刚石夹层结构实现超低界面热阻。混合TIM架构（hybrid TIM）将金属热柱嵌入聚合物基体，形成主次热传输路径，兼具高导热与工艺兼容性。三类方案形成从基体改性、填料界面优化到架构集成的渐进链条。

**3.2.2. Passive Two-Phase Heat Transfer Devices: Heat Pipes and Vapor Chambers**：热管（heat pipe）依靠内部工质蒸发-冷凝相变循环实现高效热传输，等效导热率远超固体金属，核心驱动力为吸液芯毛细力。超薄扁平热管突破1 mm厚度限制实现微型化。均温板（vapor chamber）作为二维平面均热器，内置双层吸液芯结构，可快速沿二维方向扩散热量，缓解热点效应。非均匀热流模型引入分区变热流边界条件，分析局部高热载下液膜减薄、干斑扩展与两相界面失稳，建立耦合毛细回流阻力和侧向蒸汽扩散阻力的全域热阻计算框架。超薄均温板面临吸液芯渗透率降低与蒸汽扩散阻力激增的尺度效应，通过梯度孔径复合吸液芯、微柱减阻结构、金属增材制造一体化腔体及低表面张力复合工质等优化路线应对。热管与均温板互补，形成一维定向导热与二维平面均热的多维无源相变散热技术框架。

**3.2.3. Phase-Change Materials (PCMs)**：相变材料（PCM）利用固-液相变潜热吸收/释放大量热，作为封装级热缓冲层抑制瞬态结温波动。将膨胀石墨掺入PCM复合材料并集成于3D IC封装中实现了±5°C恒温调控。将PCM引入SiC功率电子封装使结温波动幅度降低超30%。多孔铜复合镓基液态金属PCM通过界面改性使过冷度降低63%，温升波动抑制比达21.3%，峰值温度降低9.2°C。具有定向导热网络的复合PCM系统导热率比纯石蜡高十倍以上，瞬态峰值温度降低超15°C，突破了高储热与高导热无法兼得的限制。

**3.2.4. High-Thermal-Conductivity Materials**：高热导率材料集成技术采用金刚石、碳化硅（SiC）、二维材料等替代硅基衬底或构建片上导热网络。GaN/AlGaN HFETs生长在SiC衬底上可利用其更高导热率降低结温。纳米晶金刚石与GaN直接键合避免高温损伤并大幅降低界面热阻。铜热硅通孔（TTSV）阵列增强垂直传热，石墨烯作为侧向散热层分散局部热。热阻矩阵模型将衬底、导热介质与层间界面等效为标准热阻单元，定量分解各导热路径的热量传输贡献。异质衬底集成散热极限更高但工艺复杂，适合宽禁带器件；片上嵌入式导热通路工艺兼容性好，适合传统硅基3D堆叠芯片。

**3.2.5. Thermal Co-Design and Advanced Packaging for 3D IC and Chiplet**：3D IC堆叠与芯粒异质封装面临高垂直热阻、层间热耦合和芯粒间水平热串扰。微流道层间冷却与TSV阵列协同方案通过在堆叠间隙嵌入微尺度液冷通道并部署高密度金属热TSV阵列（密度500–5000个/mm²），可使垂直层间热阻降低47%，上下裸片温差从42 K降至16 K。双面冷却封装方案将上下衬底同步布置换热通道，整体层间热阻降低42%。超快紧凑热模型（如FANTASTIC、TRAC平台）将单工况计算时间降至毫秒级且误差低于5%，支持早期热感知布局。基于回归算法的紧凑热模型以芯粒间距、TSV密度、中介层导热率等为输入，快速输出全局峰值温度、垂直热阻与横向热串扰温升。电热耦合效应不可忽略，忽略耦合时稳态热点温度差可达20.8 K。集成架构-封装-冷却的热协同设计方法将前段架构定义、芯粒布局、封装介质选择与层间微通道冷却设计纳入统一优化空间，通过多轮迭代调节芯粒间距、HBM隔离布局、中介层导热率、TSV密度、底部填充导热率、微通道几何尺寸等，实现多目标Pareto最优。工程案例显示采用1.2 mm芯粒间距、隔离布局、1.8 W/(m·K)底部填充及2800个/mm² TSV阵列，垂直系统热阻降低52%，横向热串扰温升从29 K降至7 K，层间垂直温差控制在12 K以内。

**3.3. Comprehensive Comparative Analysis of Chip-Level Thermal Management Technologies**：近结液冷与封装级热管理两大技术分支在传热机理、安装位置与工程特性上差异显著但互补。近结液冷（微通道、射流冲击、冷板、浸没）侧重于直接芯片换热，是解决超高热流的核心方案；封装级热管理（TIM、热管/均温板、PCM、高热导率材料）侧重于降低热阻、均匀温度与增强可靠性。两者协同部署才能实现高效热管理。未来将向系统级协同优化方向发展。

**4. Chip Thermal Characterization and Temperature Measurement Technologies**

**4.1. Non-Contact Optical Temperature Measurement**：红外热成像（infrared thermography）可快速获取二维全芯片温度场，但空间分辨率低且无法穿透钝化层获取实际结温，容易低估峰值温度（如GaN器件中红外测114°C而微拉曼光谱测得160°C）。微拉曼光谱（micro-Raman spectroscopy）利用晶格拉曼峰温度漂移效应实现0.3–1 μm超高空间分辨率，测量误差±1–2°C，但单点扫描耗时长。分层联合测试策略：红外热成像进行快速全域热点定位，微拉曼光谱进行精确定点校准，两者结合可准确量化AI芯片热点温度（红外低估12–20 K）并评估不同冷却方案。

**4.2. Embedded Contact Temperature Measurement**：薄膜热电偶（thin-film thermocouple, TFTC）通过微纳薄膜沉积工艺制备，厚度数百纳米至数微米，可内嵌入芯片介质层或互连界面，热扰动可忽略，响应时间常数低于1 ms，支持多点并行采样。Pt/Cr贵金属体系Seebeck系数19.23 μV/°C，绝对误差±0.16°C但成本高；NiCr/NiSi合金成本低但热循环下晶粒粗化；SiGe基半导体薄膜与标准硅工艺兼容但信噪比低。技术还面临密封腔体缺乏冷端补偿、高密度布线信号串扰、热膨胀系数失配导致膜层剥离等问题。优化策略包括引入NiCrAlY过渡层匹配热膨胀系数、采用氧化铝绝缘保护膜等。未来将向CMOS兼容低成本薄膜体系、低串扰多通道读出电路与高热循环抗力复合膜结构发展。

**4.3. Synergistic Verification of Thermal Testing and Simulation Models**：热表征与数值模拟需联合构建“测试-模型-验证”闭环。界面热阻的瞬态测试方法比稳态法更敏感，可提取封装内部热路径与界面瓶颈。快速紧凑热模型支持早期布局级温度场计算，非线性动态紧凑模型使3D IC和芯粒架构的瞬态分析在时间域上可行。高精度瞬态测试为模型校准提供基准数据，先进仿真工具扩展时空分辨率，两者协同构成高功率异质处理器可靠热设计的方法论基础。