电子芯片是前沿科技、国计民生和国家安全的基础保障。随着高性能计算、人工智能、电力电子和通信雷达等芯片的集成度和功率不断提高，其发热密度也不断攀升，部分芯片平均热流密度可高达千瓦每平方厘米（kW/cm²）级别，局部热流密度则更高。发热问题不仅会导致器件性能衰退、可靠性降低、寿命缩短，同时也带来显著的能耗挑战，比如数据中心的耗电量占全球电力超过1%，其中约40%用于热管理。
传统的封装以及风冷与冷板等技术受限于对流换热系数低、材料热导率低、界面热阻高等诸多因素，难以满足下一代芯片的散热需求。近年来，嵌入式微流冷却备受关注，该技术通过在芯片背部基底刻蚀和集成微通道，将冷却液直接输送至芯片结区热点附近，从而根本性地缩短热传导路径。然而，尽管已经不断逼近“零传导热阻”的理想状态，芯片尺度冷却热流密度仍难以超过2000W/cm²。进一步强化对流换热虽然可以提升冷却性能，但往往也会大幅增加驱动流体所需的能耗。未来芯片如何高效冷却，是国内外公认亟需解决的重大难题。
近日，北京大学力学与工程科学学院能源与资源工程系宋柏研究员团队以“Jet-enhanced manifold microchannel for cooling electronics up to a heat flux of 3000 W/cm²”为题，于Nature Electronics期刊发表论文，创新性地提出“歧管-微射流-锯齿微通道”复合嵌入式微流结构，使用单相水作为冷却液，实现了3000W/cm²的超高热流密度芯片冷却，同时将单位面积冷却功耗降低至0.9W/cm²——相当于每消耗1份电量就可以带走超过3000份热量。
该设计基于硅基微机电系统（MEMS）标准工艺，直接在硅衬底背面刻蚀集成三层微流结构（图1）：顶部为变截面歧管层，交错进出口设计通过缩短冷却液在微通道内的流动距离将总体压降控制在极低水平；中间为微射流层，通过射流冲击微通道底部，抑制流动与热边界层，提升局部对流换热；底层构建锯齿微通道网络，有效缓解射流入口阻塞，并进一步增加对流换热面积、破坏流动及换热边界层，从而减小流阻与热阻（图2）。团队共测试了四种芯片变体，包括直通道（JMC, jet-enhanced manifold microchannel）和锯齿通道（sJMC, JMC with sawtooth wall），以及25微米和50微米两种典型通道宽度。
图1 微射流增强的嵌入式岐管微通道冷却芯片
图2 微通道与电学器件层设计
实验结果显示该冷却技术性能优异：在120毫升每分钟的流量下，25微米宽通道的芯片热阻低至0.036Kcm²/W（图3）；锯齿侧壁显著降低压降（例如，50微米宽通道下压降从76.9kPa降至66.4kPa），并维持或略优于直通道的冷却性能。在极限性能测试中，冷却超过1000W/cm²的热流时该方案性能系数（COP）高达13,000，此时芯片最大温升仅为65度。在3000W/cm²的极限工况下，芯片最大温升控制在130度，同时压降低于50kPa（图4）。
图3 基础流动换热性能表征与比较
图4 极限冷却性能测试及对比
该微射流增强的嵌入式岐管微通道冷却技术为电力电子和射频雷达等超高热流密度芯片的热管理提供了新思路、新方法、新器件，可同时显著提升冷却性能和能效，且无需依赖超高热导率基底和高性能热界面材料。更为关键的是，该技术采用标准硅基MEMS工艺制造，与现有集成电路产线兼容，在考虑产业化潜力的前提下，推动了芯片冷却技术极限散热能力的探索。
论文通讯作者为宋柏，同时得到了北京大学集成电路学院王玮教授的全力帮助。第一作者为宋柏课题组毕业生吴志鹄博士（现为香港理工大学博士后），参与作者还包括博士生肖维和毕业生何海宇博士。
相关工作获得科技部国家重点研发计划、教育部青年教师科研创新能力支持项目、国家自然科学基金、新基石科学基金会“科学探索奖”、北京大学微米纳米加工技术全国重点实验室、北京大学分子材料与纳米加工实验室，以及北京大学高性能计算平台的大力支持。
北京大学在芯片高效冷却领域长期耕耘，具备完善的基础研究平台和多学科交叉融合的研究氛围。通过探索多物理、多物相、跨尺度的热量输运机制和芯片协同设计，推动大功率信息处理、射频和电力电子等芯片的发展，对我国信息和能源技术的变革以及“双碳”目标的实现具有重要意义。
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