引言
近年来，随着人工智能（AI）计算和云计算基础设施的快速发展，用于训练和部署大规模深度学习模型的 AI 服务器和高性能图形处理单元系统中单个芯片的功耗已达到千瓦级甚至更高（Ao et al., 2026, Ozkan et al., 2025, Li et al., 2025）。从发展角度来看，AI 芯片的总体功耗在过去几年中呈指数级增长。随着工艺节点的不断进步和 2.5D 及 3D 先进封装技术的广泛采用，芯片的功率密度急剧上升，目前已超过 100 W·cm?2。由此产生的高热通量对电子设备的可靠运行和系统稳定性构成了严峻挑战（Zhang et al., 2026, Wang et al., 2025）。由于传热能力有限，传统的空气冷却和单相液冷技术已无法满足下一代高功率服务器芯片日益增长的热管理需求（Cho and Moon, 2025, Yang et al., 2026）。在各种冷却技术中，利用相变潜热的微通道流动沸腾被广泛认为是高效散热的一种极具前景的解决方案（Huang et al., 2025, Priy et al., 2025）。因此，微通道流动沸腾在高功率电子设备热管理、数据中心冷却和先进封装系统等应用中引起了广泛关注（Li et al., 2025, Shang et al., 2025）。
为了有效解决高热通量相关的热瓶颈问题，近年来通过优化微通道的宏观尺度设计，在流动沸腾传热强化和流动稳定性方面投入了大量努力（Wang et al., 2025, Zhou et al., 2023, Han et al., 2024）。Cui et al（Cui and Liu, 2023）研究了纵横比为 25 的铜微通道散热器中去离子水的流动沸腾。由于通道深度极大，伸长气泡之间的核化气泡能够有效地利用剩余的垂直传热面积，与传统纵横比为 1 的微通道相比，临界热通量（CHF）提高了 40.95%。Yin et al（Yin et al., 2024）提出了一种互连平行多微通道构型。微沟槽结构有效地促进了相变过程中的压力平衡和液体再分布，从而显著减轻了由高热通量引起的全局两相流不稳定性。Ma et al（Ma et al., 2026）设计了四种仿生叶脉微通道结构。这些仿生设计增强了气泡传输，降低了 10–20 K 的壁面温度，并提高了温度均匀性。优化后，平均表面温度进一步降低了 4–5 K，热阻降低了 0.03 K·W?1，实现了传热强化和流动阻力降低的协同改善。Li et al（Li et al., 2025）研究了配备双扭带的矩形微通道中的流动沸腾强化。扭带引起的涡流扰动有效促进了相分离和气泡脱离。与光滑微通道相比，顺时针 - 逆时针组合构型实现了最佳的传热性能。
除了宏观通道设计的创新外，表面微纳米工程已成为增强核态沸腾和气泡动力学的一种关键方法（Tan et al., 2023, Liu et al., 2026, Sun et al., 2024）。Ye et al（Ye et al., 2024）使用增材制造结合表面化学蚀刻制备了具有微结构的小通道。微结构提供了丰富且稳定的成核点，并促进了低蒸汽品质下的核态沸腾，与光滑表面相比，平均传热系数（HTC）增加了高达 210%。Yin et al（Yin et al., 2025）在微通道中引入了激光诱导的微纳米复合结构和多级增强多孔表面。这些复合结构不仅显著增加了成核点的数量，还通过强毛细力维持了加热表面的有效液体重新润湿，从而大幅提高了传热性能。Sun et al（Sun et al., 2025）研究了表面润湿性在微通道流动沸腾中的作用。疏水表面显著降低了气泡成核的能量壁垒，从而激活了大量成核点。因此，与亲水表面相比，HTC 增加了 82%。Wang et al（Wang et al., 2025）实验研究了侧壁集成烧结铜微多孔层的逆流互连微通道中的流动沸腾。微多孔层的强毛细效应有效地维持了均匀的液膜分布并增强了薄膜蒸发，防止了局部干涸。与光滑逆流微通道相比，该构型在 CHF 和 HTC 方面均取得了显著改善。
在微通道流动沸腾系统的设计中，实际加热面积和工作流体的热物性也是决定整体散热能力的关键因素（Ng and Hung, 2025, Xin et al., 2026）。Tang et al（Tang et al., 2026）采用 HFE7000 作为工作流体，研究了加热面积为 10 mm × 10 mm 的微通道散热器中的发散流通道结构。通过增强液体对流，提出的设计有效抑制了蒸汽堵塞和流动反向，从而提高了热工水力性能。Gao et al（Gao et al., 2025）使用去离子水作为工作流体，考察了 10 mm × 15 mm 硅基片上具有不同布局针翅结构的微通道。混合布局表现出比其他构型高 2.7–3.5 倍的 HTC。然而，在低流量下，由于下游流动堵塞效应，混合布局的性能优势并不显著。Sun et al（Sun et al., 2024）研究了热物性差异显著的三种工作流体，即水、乙醇和 HFE-7100，对微通道流动沸腾的影响。由于其最低的液 - 汽密度比、低粘度和最小的表面张力效应，HFE-7100 表现出随热通量增加压降增加最小的特性。
关于微通道流动沸腾传热及其强化机制已进行了大量研究。然而，大多数现有研究主要集中在小规模冷板（Lv et al., 2024, Cheng and Wu, 2024）和大气压下沸点相对较高的工作流体，如水和 HFE7100（Yin et al., 2026, Yin et al., 2023）。随着近年来 GPU 封装尺寸的不断增大，大面积微通道液冷技术的发展变得尤为重要。表 1 总结了 GPU 封装尺寸的最新趋势，显示在封装技术的推动下显著增加。然而，大面积微通道散热器并不仅仅是常规结构的放大版。随着流路径变长，在低质量通量条件下更容易发生下游液体供应不足和局部干涸。虽然电沉积多孔表面可以提供丰富的成核点，但快速的气体量产生也可能加速液膜消耗，从而削弱高热通量下的传热。同时，多孔结构的毛细效应促进了液体补充和表面重新润湿。这些竞争机制进一步受到通道宽度和气泡约束的影响。在本研究中，开发了一种尺寸为 62 mm × 56 mm × 3 mm 的大面积微通道散热器，并制备了电沉积铜多孔表面。研究了质量通量、通道宽度和表面结构对 R134a 流动沸腾性能的影响。阐明了气体量产生与毛细液体补充之间的竞争，多孔结构在延缓干涸中的作用，以及其与通道宽度的耦合机制。本研究为大面积高功率服务器芯片的热管理设计提供了参考。
Yali Feng|Chengyu Hu|Xiaoping Yang|Yonghai Zhang|Zhiwei Zhang|Fangjiao Hui|Jinjia Wei
