清华大学孙波IJHMT：用于超高热流密度 SiC 芯片冷却的两相流沸腾技术

论文信息：

Shasha Huo , Xinqiang Wang , Bo Sun. Two-Phase Flow Boiling for Ultra-High Heat Flux SiC Chip Cooling. International Journal of Heat and Mass Transfer, 255: 127885, (2026).

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.127885

PART1

研究背景

在碳中和与电气化快速发展的背景下，功率电子器件的高频化与高集成化推动了第三代半导体材料（如SiC、GaN）的广泛应用。然而，随着SiC/AlGaN/GaN HEMTs 的微型化与功率密度提升，芯片层面产生的热流密度常超过1000W/cm²，传统单相冷却已难以满足散热需求。虽然通过提高基底热导率可略微改善热性能，但芯片总热阻主要受限于芯片-冷却液界面的对流换热。相比之下，两相流沸腾冷却利用汽化潜热，不仅能显著降低热阻、提升能效，还可保持温度均匀性，缓解局部热应力。结合SiC材料可承受高结温（175°C）的优势，两相流冷却成为应对超高热流密度芯片散热问题的理想解决方案。

PART2

研究内容

该研究为解决碳化硅（SiC）芯片加工与散热难题，设计并制备了一种嵌入式多孔微通道铜芯散热器。该结构通过烧结NaCl与铜粉获得高孔隙率铜芯，并利用飞秒激光刻蚀不同尺寸的微通道，以增强气泡成核与蒸发换热性能。随后在SiC晶圆上刻蚀嵌入槽，通过银胶加压粘接实现多孔芯与基底的紧密结合，并在其表面沉积Ti/Ni/Au电极层。最后在铜盖板上加工歧管结构以实现冷却液的均匀分布。该一体化设计有效降低了界面热阻，提升了两相流沸腾散热效率，为超高热流密度SiC芯片提供了高效可制造的冷却方案。

图1. 嵌入式分级多孔铜芯散热器的结构示意图与仿真设计：(a)含分级多孔歧管微通道（PMMC）的嵌入式散热器结构示意图；(b)歧管入口效应对换热系数（HTC）的影响；(c)PMMC结构与平面结构在沸腾换热性能上的比较；(d)在热流密度为2500W/cm²、流量为3.8ml/s条件下，不同纵横比（AR）结构的热-流体性能仿真结果比较

图2. 带有嵌入式多孔铜沸腾芯的SiC芯片的SEM图像与实物照片：(a)激光加工的铜歧管微通道及嵌入多孔铜沸腾芯的SiC芯片实物照片；(b–d)不同通道宽度（100µm、50µm、25µm）的平行微通道多孔铜沸腾芯的扫描电子显微镜（SEM）图像；(e)高温耐受陶瓷芯片印刷电路板（PCB）的实物照片；(f)带有磁控溅射电极掩膜的SiC芯片上表面实物照片

通过设计蛇形直流加热电极来模拟SiC芯片的热效应，并利用COMSOL仿真分析其结构可靠性。结果显示，在60V工作条件下，SiC基底最大等效应力仅为0.325MPa，远低于材料屈服强度，电极与基底结构稳定无变形；界面应力亦低于50MPa的结合强度，保证了电极附着可靠性。实际制备中，采用激光蚀刻不锈钢掩膜和磁控溅射技术在SiC表面沉积Ti/Ni/Au电极，并通过银浆连接至PCB。该设计可通过调节端口实现局部加热，用于模拟芯片热点，为SiC芯片散热实验提供了稳定可控的热源模型。

图3. 电极设计与焦耳效应热膨胀应力评估：(a)碳化硅基底中的等效应力（Von Mises Stress）分布；(b)当加热电路热流密度为 2500W/cm²、对流换热系数为2×10⁵ W/(m·K)时的温度分布；(c)碳化硅基底相对于冷却液侧平面的位移距离；(d)蛇形电极的界面应力分布

该研究搭建了一套用于测试微通道散热器性能的微流体液冷实验平台。测试台采用3D打印镍合金结构，集成进出口通道、温度与压力传感器，可实现芯片的稳固安装与精确测量。芯片与电路通过锡银铜焊料连接至陶瓷PCB，再固定于测试台。平台利用压力控制器调节冷却液流量，并通过热电偶、压力传感器与流量传感器实时采集实验数据；红外热像仪监测芯片表面温度，直流电源提供受控加热。该系统实现了对SiC芯片散热性能的精确热–流体特性测试，为验证两相流冷却效果提供了可靠实验支撑。

图4. 微流体测试平台的示意图与实物照片：(a)微流体测试台结构示意图；(b)微流体测试台实物照片；(c)测试板实物照片；(d)PCB板正反面照片，比例尺为1.5cm；(e)不锈钢磁控溅射掩膜，用于制作设计好的电极图案，比例尺为1cm

通过数值仿真与实验验证了分级多孔歧管微通道（PMMC）散热器在两相流冷却下的优异性能。实验结果显示，在两相流区，热阻显著降低、温度分布更均匀，可有效缓解SiC HEMTs芯片的局部热点和热应力，提升器件可靠性。最大临界热流密度（CHF）达到1682W/cm²，性能系数（COP）高达10⁵，表明该设计在高功率SiC芯片散热中具有显著优势。微通道的窄化与歧管分流设计优化了换热效率，并在两相流过程中实现了流量与换热流量的正相关，提高了系统的热–流体性能。

相比单相流和喷射冲击冷却方案，单相流为达到相同热流密度需更高流量，泵功和能耗增加，COP限于10²~10⁴；喷射冲击冷却在超高热流密度下能效有限。两相流方案则在多种结构设计下同时实现高CHF和高COP，是超高热流密度芯片散热最具潜力的解决方案，为下一代高功率SiC HEMTs提供了高效、节能的冷却方案。

图5. 嵌入式散热器的热–流体性能测试：(a)不同体积流量下散热器热流密度与温升曲线；(b)不同体积流量下换热系数与热流密度曲线；(c)不同微通道宽度和歧管条件下泵功与流量的关系；(d)微通道宽度为100µm、50µm和25µm时的COP与热阻；(e)大流量条件下两相流与单相流的热流密度，实心标记为实验数据，空心标记为数值仿真数据；(f)相变热–压力–焓图，红色表示绝压2bar下的最大散热功率，蓝色表示两相流，天蓝色表示相同压力下的单相流

图6. 温度均匀性、热阻分析与COP评估：(a)加热区域的温度均匀性，基于实验标定的热物性参数输入的数值模型结果；(b)总热阻随微通道宽度和蒸汽质量变化的情况，流量为1mL/s，热流密度范围为200~1000W/cm²；(c)微通道宽度为25µm、纵横比AR=4时不同流量下的总热阻分解，热流密度为1500W/cm²；(d)不同微通道宽度在流量1mL/s、热流密度1000W/cm²条件下的总热阻分解；(e)单相冷却、喷射冲击冷却与两相流冷却的性能对比，前人数据基于95%置信椭圆收集，空心星号表示预测值，实心星号表示实测值

PART3

总结与展望

本研究针对高功率密度SiC芯片的散热难题，提出了一种嵌入式分布歧管多级微通道两相冷却结构，通过在芯片内集成多孔铜毛细芯和分布式流道，实现高效相变传热与均匀温度分布。实验结果显示，该系统在仅3ml/s流量下实现了高达1682W/cm²的临界热流密度（CHF）和约19000的性能系数（COP），显著优于传统单相冷却方案。研究表明，两相沸腾冷却能有效降低热阻、缓解热应力并提升器件可靠性，为高热流电子器件的热管理提供了新思路。未来可通过改进微结构设计、优化流体类型及实现芯片级集成，进一步提升两相冷却技术在功率电子与AI芯片中的应用潜力。

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