湖北大学吴小虎IJHMT：微通道热沉进出口优化与传热强化研究

论文信息：

Hui Deng, Xiuxian Zou, Leyong Jiang, Wangbing Yu , Xiaohu Wu. Study on inlet-outlet optimization and heat transfer enhancement of microchannel heat sinks, International Journal of Heat and Mass Transfer.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2026.129488

Part.1

研究背景

随着人工智能、高性能计算等大功率集成电路技术快速迭代，芯片的集成度和功率密度呈现指数级上升趋势，部分芯片整体热流可达 1 kW/cm²，局部热点区域热流甚至超过 50 kW/cm²；这种严重的非均匀热载荷会造成芯片温度分布极不均衡，极易诱发热失效问题，直接制约微电子器件的工作性能、运行可靠性与服役寿命。现阶段大量研究通过改良肋结构、柱肋构型以及换热材料来提升微通道热沉散热能力，但多数进出口优化工作偏向于集流腔整体布局改造，不仅加工制造难度与成本较高，还缺少面向芯片局部热点的定向冷却设计，难以兼顾散热增益与工程可实现性，因此有必要针对微通道热沉的进出口开口开展针对性优化，为高热流芯片的热管理提供简易可行的技术方案。

Part.2

研究内容

该研究以带中心 2 mm×2 mm 柱肋热点区的硅基微通道热沉为研究对象，针对大功率芯片非均匀热源带来的热点过热、温度分布不均，同时现有进出口优化方案加工复杂、缺少面向热点定向调控手段的问题，提出进出口开口宽度耦合调控的散热优化思路，借助有限元分析软件搭建包含固体基底、柱肋结构、微通道流道的三维固‑液共轭传热仿真模型，根据微通道内层流流动特征确定连续性、动量、能量控制方程并设置对应的边界条件，对固液交界面、中心热点等关键区域实施局部网格加密完成几何建模与网格划分（图 1、图 2）；设置多套网格数量方案开展网格无关性验证，选用精度与计算开销平衡的 650 万单元网格作为后续全部算例的统一网格，并且复现已发表文献中的微通道散热算例，在多个雷诺数下对比仿真与文献的温度、压降结果，完成数值模型可靠性校验（图 2）。

图 1 微通道热沉示意图：(a) 三维示意图；(b) 微通道几何尺寸；(c) 中心热点区域与背景区域尺寸。

图 2 (a) 进口开口宽度Win=2500 μm、出口开口宽度Wout=2500 μm微通道热沉的计算网格；(b) 网格无关性验证；(c) 与Xin等人 的结果对比。

研究围绕进口开口宽度Win与出口开口宽度Wout两个核心结构参数设置 10 组工况，分别开展单变量调控与进出口耦合调控仿真计算，从传热特性角度分析不同工况下热沉最高温度、热点与背景区域平均绝对温差的变化规律，对比不同进出口参数下的基底温度云图，揭示进口收缩对热点降温、改善温度均匀性的作用，同时明确出口宽度对温度场几乎无显著影响的规律（图 3、图 4）；依托流速云图、流线分布分析流场特征，统计各微通道内部的冷却液质量流量，解析 “缩进口实现流体向热点汇聚、扩出口降低整体流动阻力” 的内在流动调控机理，对比不同方案的总压降变化，量化进出口耦合优化对抑制压降飙升的效果（图 5、图 6、图 7）。

图 3 雷诺数Re=250时不同结构参数热沉与基准结构的最高温度Tmax对比：(a) 进口开口宽度Win变化；(b) 出口开口宽度Wout变化；(c)Win与Wout耦合变化；(d) 不同结构参数下热沉底面温度云图。

图 4 进口开口宽度Win、出口开口宽度Wout变化时平均绝对温差（MATD）随雷诺数Re的变化规律：(a) 中心热点区域的平均绝对温差；(b) 背景区域的平均绝对温差。

图 5 雷诺数Re=250、不同进口开口宽度Win与出口开口宽度Wout条件下热沉的速度云图。

图 6 不同结构参数热沉与基准结构的各微通道质量流量分布对比：(a) 进口开口宽度Win变化；(b) 出口开口宽度Wout变化；(c)Win与Wout耦合变化。

图 7 不同结构参数热沉与基准结构的总压降ΔP对比：(a) 进口开口宽度Win变化；(b) 出口开口宽度Wout变化；(c)Win与Wout耦合变化。

该工作引入局部努塞尔数 Nu 与综合性能评价准则 PEC 对各结构方案开展热‑水力综合性能评估，对比单改进口、单改出口、进出口耦合调控三类方案的 Nu、PEC 随雷诺数的变化曲线，筛选得到最优构型Win=1000 μm、Wout=4000 μm，确认耦合优化方案可以兼顾热点强化冷却与流动阻力控制（图 8）；此外论文还评估该优化结构的加工可行性，指出该方案仅修改局部进出口尺寸，微通道与柱肋结构保持不变，仅需简单修改光刻掩膜版即可适配成熟硅微加工工艺，具备较低的制造成本，同时客观阐述本研究仅依靠数值仿真、缺少试验验证等局限性，指明后续可开展试验测试、瞬态仿真等进一步完善研究。

图 8 不同结构参数热沉与基准结构的努塞尔数（Nu）及性能评价准则（PEC）对比：(a)(d) 进口开口宽度Win变化；(b)(e) 出口开口宽度Wout变化；(c)(f)Win与Wout耦合变化。

Part.3

研究总结

该论文通过数值仿真揭示了进出口开口宽度对微通道热沉流动传热的作用规律，证实缩小进口开口宽度可实现热点定向冷却、增大出口开口宽度能够有效抵消压降损失，二者耦合调控得到的最优构型可在显著降低热点峰值温度、提升温度均匀性与努塞尔数的同时取得优异综合热水力性能，为非均匀热源下大功率电子器件提供一种改动量小、易于加工的热沉优化方案。

Study on inlet-outlet optimization and heat transfer enhancement of.pdf