杭州电子科技大学赵文生ATE: 水凝胶增强的自适应射流冲击散热器

论文信息：

Cheng-Yi Feng, Lazaros Aresti, Peng Zhang, Da-Wei Wang, Wen-Sheng Zhao, Paul Christodoulides, Smart cooling: Hydrogel-enhanced adaptive jet impingement utilizing through silicon via for integrated microsystems, Applied Thermal Engineering 268 (2025) 125895

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2025.125895

Part.1

研究背景

在全球半导体产业持续向三维异构集成发展的背景下，芯片级热管理已成为制约微系统性能与可靠性的核心挑战。尤其在人工智能、高性能计算等前沿领域，芯片功耗密度不断攀升，且不同功能模块的功率分布极不均衡，形成显著的局部"热点"效应。传统的均匀冷却方案难以应对这种非均匀热负载，往往导致低功耗区域过度冷却而热点散热不足，严重影响系统稳定性与能效。

为解决这一难题，射流冲击冷却技术因其卓越的局部换热能力而备受关注；同时，硅通孔（TSV）技术为三维集成提供了垂直互连与热管理路径。然而，现有的TSV增强型射流冲击散热结构多为固定几何形式，缺乏根据芯片实时热状态进行动态调节的智能响应能力。智能响应材料与自适应冷却机制的引入为突破这一瓶颈提供了新思路。温敏水凝胶具有温度响应的体积相变特性，可作为微型执行器实现流道的智能调控。但现有研究多局限于传统平面微通道内的集成应用，未能将其与高性能的垂直射流冲击冷却及三维热通路进行创新性融合。

为此，本研究提出了一种水凝胶增强的自适应射流冲击散热器（AJIHS），通过集成温敏水凝胶智能阀门、TSV垂直热通路与定向射流冲击冷却，构建出能够实时感知并响应热点温度变化的智能热管理系统。

Part.2

研究目标与创新点

本文在前期射流冲击冷却与TSV热管理研究基础上，开展了系统级、多物理场耦合的数值分析，核心目标包括：

1、 构建热-流-固耦合的自适应散热数值模型框架

2、分析水凝胶智能阀门在动态热负载下的响应机理与调控规律

3、定量评估自适应散热器在不同功率密度下的综合热性能

4、为自适应散热器在三维集成系统中的应用提供设计与优化依据

自适应冲击散热器封装模型

本研究提出的AJIHS核心由三部分构成：TSV铜柱热通路、PNIPAM温敏水凝胶阀门、以及微射流冲击冷却结构。水凝胶被精确键合于暴露的TSV铜柱顶端，并位于流体入口喷嘴正下方，形成"温度感知-几何变形-流量调节"的闭环控制系统。

图1 自适应射流冲击散热器（AJIHS）封装结构

图2 (a)简化的AJIHS单元结构示意图；(b)横截面图；(c)俯视图和(d)仰视图

凝胶热响应模型

本研究采用聚(N-异丙基丙烯酰胺)温敏水凝胶，其体积随温度变化遵循特定的相变规律。通过引入热膨胀参数α建立水凝胶几何尺寸与温度的数学关系：

图3 (a)热膨胀参数作为温度的函数；(b)AJIHS自适应结构在最大和最小高度的变形示意图

如图3所示，当温度超过阈值时减小，导致水凝胶半径和高度收缩，从而模拟其温敏变形行为。该模型准确描述了水凝胶在临界温度附近的急剧收缩行为，为自适应仿真提供了关键材料特性输入。

暴露TSV铜柱的制造工艺流程

图4直观地展示了如何制备用于键合温敏水凝胶的铜柱基座。这是实现“水凝胶-TSV-射流入口”三位一体自适应结构的关键前提。水凝胶需要牢固地附着在一个高导热的金属表面上，而暴露的TSV铜柱满足了这一要求。该工艺一共分为6个步骤，硅衬底减薄、深反应离子刻蚀通孔、物理气相沉积铜层、自下而上电镀填铜、化学机械抛光去除多余铜、背面刻蚀以暴露铜柱。

图5 TSV的暴露制造工艺：(a)减薄硅衬底；(b)在硅通孔中制造通孔DRIE刻蚀；(c)使用物理气相沉积（PVD）沉积铜籽晶层；(d)自下而上电镀铜TSV；(e)通过化学机械抛光（CMP）去除多余的铜；(f)通过硅层的背面刻蚀暴露TSV

边界条件设置

本文模型侧面为对称边界，所有壁面为无滑移条件。冷却水设定为固定流速层流。底部热源采用关键的非均匀热流边界。其余表面设为绝热。

图6 所提出的AJIHS模型的边界条件配置。(a)俯视图和 (b)仰视图

评估参数提取

本研究定义了四个核心性能参数来量化评估AJIHS的散热能力：芯片最高温度、总热阻、温度均匀性、热扩散阻力。这四个指标从极限温控、传热效率、温度分布和热量扩散四个维度，构建了完整的散热性能评价体系。

图7 由温度定义的热阻网络，包括扩散阻力、一维传导阻力和对流阻力

网格独立性分析与数值结果验证

为确保后续仿真结果的准确性与可靠性，本研究首先通过网格独立性分析确定计算精度。其次，将仿真结果与三组已发表的经典实验数据进行交叉验证。

图8 散热器 (a)峰值温度和 (b)压降与网格节点数的网格敏感性测试

图9 所提出的AIJHS的计算网格，(a)俯视图；(b)仰视图和 (c)横截面视图

图10 不同模型对应的温度和压降结果的实验数据和仿真数据的对比

仿真方法

本研究采用COMSOL Multiphysics与MATLAB联合仿真策略，实现水凝胶变形与流体换热的双向耦合计算。

图11 基于COMSOL Multiphysics和MATLAB的AJIHS仿真流程图

自适应动态特性分析

图12 使用不同导热系数的水凝胶的AJIHS对应的最大芯片温度和散热器压降

图12分析了水凝胶导热系数对系统性能的影响。在0.3-2.0 W/(m·K)的典型范围内，导热系数的变化对芯片最高温度和系统压降的影响微乎其微。这表明水凝胶在该系统中主要发挥温度驱动机械执行器的功能，通过体积变形调节流量，而非作为主要导热路径。系统散热性能主要由后续的射流冲击换热和铜柱导热主导。

图13 (a)迭代过程中水凝胶半径的变化；(b)迭代过程中水凝胶高度的变化；(c)芯片区域峰值温度和出口与入口之间的压降随迭代次数的变化

图13展示了自适应散热器的动态响应过程。图13 (a)中水凝胶半径随迭代呈现周期性收缩与回弹。图13 (b)显示水凝胶高度同步变化，其变化相位与半径完全对应。图13 (c)图揭示了芯片最高温度与系统压降的耦合振荡关系。水凝胶通过感知温度变化不断调节自身几何形状，从而改变流体通道开度，形成一个完整的温度-变形-流量负反馈回路。

图14 (a)-(h)AJIHS在第1次迭代到第8次迭代过程中的流体速度分布图和流线图

图14展示了散热器内部流场的自适应变化。水凝胶通过温度控制的收缩与回弹，智能调节入口开度，使流场在“无流/弱涡流”与“垂直强射流”两种模式间切换。这种流场模式的主动调控，实现了冷却强度与热负载的实时匹配。

图15 (a)-(h)AJIHS在第1次迭代到第8次迭代过程中的温度分布云图

图15揭示了自适应散热器的热调控机理。温度驱动水凝胶变形，智能切换散热模式：阻塞时依赖固体导热，开启后转为射流冲击对流。这种动态切换使系统能在热量积累与高效冷却间自主循环，实现精准温控。

图16 (a)-(h)AJIHS在第1次迭代到第8次迭代过程中的压力分布图

图16展示了散热器压力场的自适应变化。水凝胶的变形直接调控了流道形态与压力分布：阻塞时压力集中于入口；开启后高压区下移，并在强射流区形成低压核心；回弹时压力分布重置。这种周期性压力重分布与流场演变同步，是实现智能冷却时流体阻力动态调整的直观体现。

AJIHS性能评估参数选择方法

图17 (a)-(f)AJIHS在不同功率条件下十六次迭代的温度和压降

图17显示了自适应散热器在三种功率下的温度与压降响应，所有参数均呈周期性振荡。在自适应散热器动态循环的工作特性下，提出了一种提取代表性稳态参数的方法。鉴于芯片温度在循环中呈现“峰值-稳定平台-峰值”的规律，选取稳定平台期的平均温度作为热性能评价指标。同时，由于压降周期性波动相对平缓，选用单周期内的最大压降值作为流体阻力评价指标。

自适应AJIHS与非自适应冷却冲击射流散热器（JIHS）的比较

图18. (a) AJIHS 模型和 (b) JIHS 模型对比

图19 (a)总热阻；(b)温度均匀性；(c)扩散热阻；以及 (d)不同热通量下AJIHS和JIHS对的总散热器压降

通过AJIHS和JIHS的对比，揭示了自适应散热器相比传统固定结构散热器的综合优势。如图19所示，在300-600 W/cm²的热流密度范围内，自适应散热器在几乎不增加总热阻（仅+3.08%）和压降（最大+1.28 kPa）的前提下，将温度均匀性显著提升12.21%，并降低热扩散阻力约13%。这表明自适应结构能智能分配冷却资源，精准强化热点散热同时避免背景区域过冷，从而在复杂热负载下实现更优的热管理与更高的系统可靠性。

Part.3

研究总结

本文对一种集成水凝胶智能阀门与硅通孔技术的自适应射流冲击散热器进行了多物理场耦合数值分析，系统研究了自适应结构在非均匀热负载下的动态响应特性与综合散热性能，并与传统固定结构散热器进行对比，得到以下结论：

（1）该结构可实现温度驱动的闭环自适应控制，在动态热负载下维持芯片热平衡。

（2）与固定结构散热器相比，其在总热阻与压降几乎不变的条件下，将温度均匀性提升12.21%，热扩散阻力降低13%。

（3）该系统能精准强化热点冷却并避免低功耗区过冷，有效改善三维集成芯片的热管理问题。

（4）水凝胶导热系数在实用范围内对性能影响很小，其核心功能是热机械响应。

（5）该自适应散热器为高功率密度、非均匀发热的集成微系统提供了高效的智能热管理方案。

（6）研究验证了该设计的可行性及与现有半导体工艺的兼容性，为实际应用奠定基础。

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