超高热流密度芯片（通常指热流密度超过1千瓦/平方厘米）的冷却，是支撑人工智能、高性能计算等前沿技术发展的基础性难题-7。其解决思路不再是单一技术的改进，而是通过全新的原理和系统级方案，在极小的空间内实现前所未有的高效散热。

一、核心散热原理：打破传统瓶颈

传统的从芯片表面“外挂”散热器的思路已逼近物理极限。新的冷却原理专注于三个核心方向：

1. 近源冷却与零传导热阻：这是最根本的思路。它将冷却液（水或特殊工质）的微米级通道直接嵌入芯片内部或贴近芯片背部，让冷却液在“热源出生地”直接带走热量，理论上无限趋近于“零传导热阻”-4-7。微软和台积电的相关技术都基于此原理-4-5。

2. 超高热导材料与热扩散：在热量被带走前，需要用导热能力极强的材料迅速将芯片局部“热点”的热量横向铺开，防止热量堆积。金刚石（导热率是铜的5倍）是理想选择，但它与芯片材料结合时的界面热阻和热应力是巨大挑战-3-8-9。

3. 原子级界面工程：热量在穿越不同材料界面时极易受阻。最新的突破是通过原子级平整的“薄膜”界面取代传统的粗糙“岛状”连接，使界面热阻降低三分之二，从根本上疏通热量传导的“堵点”-8-9。

二、关键技术路线对比

基于以上原理，目前主流的高端技术路线如下表所示：

技术路线	核心原理	关键指标/特点	主要挑战
嵌入式微流冷却	在芯片基底刻蚀集成微通道，冷却液直达热源-7。	热阻可低至 0.036 K·cm²/W，已实现3000 W/cm²的冷却能力-7。	设计复杂，对制造工艺要求极高。
歧管-微射流复合结构（进阶设计）	在嵌入式微通道上，增加“微射流”冲击和锯齿状通道，破坏热边界层-7。	在3000 W/cm²下，最大温升仅130°C，能效比（COP） 极高-7。	结构设计、加工和流道压力控制更复杂。
金刚石微通道基板	用极高导热率的金刚石作为微通道基底，快速扩散并导出热量-3。	理论散热潜力巨大，可应对数百至上千W/cm²热流-3。	金刚石与芯片材料热膨胀系数不匹配，易导致界面开裂；成本高昂-3。
液态金属微通道冷却	用导热率是水65倍的镓铟锡合金等液态金属作为冷却液-6。	配合扩展微通道设计，热阻可降低36%-6。	液态金属易腐蚀、氧化，密封和系统可靠性要求高-6。
先进界面与集成技术	优化从芯片到散热器的每一层热界面材料（TIM）和连接工艺-2-4。	包括低温键合、纳米银烧结、新型TIM等，是支撑所有高效散热方案的基础-2-4。	需在高导热性、低热应力、长期可靠性间取得平衡。

注：这些技术路线并非互斥，例如“金刚石微通道基板 + 液态金属冷却 + 先进界面工程”的组合方案是当前重点研究方向。

三、面临的主要挑战与发展趋势

尽管原理清晰且进展迅速，但该领域仍面临艰巨挑战：

• 制造与集成：将复杂的微流道结构与芯片制造工艺（CMOS或MEMS）深度融合，实现高良率、低成本的大规模生产-3-7。

• 系统可靠性：确保微流道在长期运行中无泄漏、无堵塞，液态金属等工质不腐蚀管路-6。

• 协同设计：未来的芯片设计必须将“散热结构”作为核心模块，在架构设计初期就进行“电-热协同优化”。

当前，芯片冷却技术正从“外挂式”向“嵌入式”、“单相”向“两相（相变）”、“均匀冷却”向“智能按需冷却” 演进-4。利用AI实时分析芯片温度图谱，动态调控冷却液流向来精准打击“热点”已成为现实趋势-5。

转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自刘国华科学网博客。
链接地址：https://wap.sciencenet.cn/blog-300938-1519907.html

上一篇：燃气轮机叶片高效冷却
下一篇：电动力学修复尾矿土壤