湖北大学吴小虎ICHMT：面向非均匀热源的高效混合微通道散热器设计与性能分析

论文信息：

Long fei Li, Bi lin Dong, Kai hua Zhang and Xiao hu Wu, Design and performance analysis of efficient hybrid microchannel heat sink for non-uniform heat source, International Communications in Heat and Mass Transfer 180 (2026) 112711

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2026.112711

Part.1 研究背景

随着人工智能、5G 通信和高性能计算的快速发展，芯片功率密度急剧升高。文中指出，未来十年标准热流密度预计可达 500 W/cm2，局部热点甚至超过 1000 W/cm2；温度每升高 1 ℃，芯片性能下降约 5%，且超过 55% 的芯片失效由高温引起。非均匀功率分布产生的热应力也是微处理器失效的重要原因。因此，高效热管理，尤其是热点定向冷却，已成为芯片稳定运行的关键，而传统冷却技术难以满足需求。

微通道热沉因散热能力强、比表面积大而被广泛采用，但传统直微通道在高热流下会沿流动方向形成较大温度梯度，诱发热应力和芯片失效。均匀冷却策略要么无法有效控制热点，要么导致背景区过冷和泵功浪费。微通道与针翅阵列因传热性能好、制造相对简单而受到关注；针翅几何、布置方式、混合热沉等可提升热工水力性能，但被动强化常伴随流阻增加。已有混合热沉多在均匀热源下表现良好，而针对非均匀热源的“按需冷却”，即区分热点区与背景区进行差异化冷却的设计仍不足。

基于此，此研究提出一种交错微通道-针翅混合微通道散热器：在背景区采用交错微通道，适度增强换热并改善温度均匀性，同时控制流阻；在热点区采用高密度圆柱针翅阵列，抑制峰值温度。其目标是面向非均匀热源，实现高效、节能的热点热调控。

Part.2 研究内容

此研究针对微处理器集成密度提升和功耗激增带来的热管理瓶颈，以及传统均匀冷却难以兼顾热点缓解与背景区节能冷却的问题，提出了一种双区域差异化混合热沉：背景区采用交错微通道以提升整体温度均匀性，热点区集成高密度针翅阵列以增强局部散热。数值模拟表明，该混合热沉相比传统设计可使整体热阻降低26.6%-46.0%，温度均匀性提高31.6%-53.5%，并在900 W/cm2极端热流下保持可靠单相运行，最大温升仅63.98 K，低于73 K安全限值，在散热能力、温度均一化、能效和恶劣工况鲁棒性方面表现优越，为下一代高性能微处理器热管理提供了有前景的解决方案。

S-MPF 热沉是此研究提出的一种新型混合结构热沉。图 1 展示了普通矩形微通道热沉（NH-RM）与交错微通道针肋混合热沉（S-MPF）的结构构型。NH-RM 热沉的结构如图 1 所示，该热沉包含 20 根等间距布置、贯通整体的矩形微通道，几何参数如图所示。这种传统热沉在整个基底（包括背景区域与热点区域）均采用完全相同的微通道结构，并未对热点做专门强化处理。

图 1. 结构示意图。(a) 无扰流混合矩形微通道热沉（NH-RM）；(b) 交错微通道针肋热沉（S-MPF）；(c) 微通道结构参数；(d) S-MPF 热沉的针肋结构；(e) 针肋结构参数

此研究的数值仿真相关研究工作是基于有限体积法开展三维共轭传热仿真，稳态层流（雷诺数 200-1000）、流体不可压缩、忽略重力与辐射换热等简化假设，求解流体域连续性、动量、能量方程以及固体域能量方程，热沉基底施加背景区 50 W/cm2、热点区200-900 W/cm2 的非均匀热流边界，其余外表面设置为绝热，采用速度入口与压力出口边界，固液交界面施加无滑移条件，在 Fluent 中选用基于压力的 Coupled 耦合算法，压力采用二阶格式，动量和能量方程使用二阶迎风格式，以控制方程归一化残差小于 10-6且热点温度连续 200 次迭代波动不超过 0.01 K 作为收敛判据；计算域采用多面体网格并在近壁区域设置 5 层棱柱边界层，经网格无关性验证确定传统矩形微通道热沉 NH-RM 最优网格数量为 283 万、混合热沉 S-MPF 最优网格数量为 229 万，实现计算精度与计算资源的平衡；通过复现公开文献中的硅基微肋通道实验工况完成数值方法验证，仿真与实验平均偏差 0.48%、最大误差 1.02%，证明仿真方法可靠，由于目前尚无 S-MPF 结构的公开实验数据，该结构后续还需开展实验研究，当前仿真框架可用于两种热沉热水力性能的对比分析；研究还定义了雷诺数、水力直径、总热阻、总泵送功率、平均绝对温度偏差 MATD、热点最大温升、制冷性能系数 COP 等评价指标，结合 S-MPF 特殊流场对压降进行重新定义保障对比公平性，其中 COP 为基底温升达到 60 K 时的有效散热量与总泵送功率的比值，可通过线性插值或外推法求取有效散热量，以此定量评估热沉的散热能力、温度均匀性以及能量利用效率。

此研究对不同雷诺数下两种热沉的热性能开展对比分析，由图2可知，随雷诺数从 200 提升至1000，S-MPF 混合热沉总热阻降幅达 48.9%，传统 NH-RM 热沉总热阻仅下降 30.5%，各个雷诺数下 S-MPF 总热阻均更低，相比 NH-RM 总热阻降幅由 26.6% 增大至 46.0%，流速越高 S-MPF 散热优势越突出；受针肋与交错通道带来的流动阻力增大的影响，S-MPF 的泵送功耗整体高于 NH-RM，但功耗增加幅度很小，若要达到与 S-MPF 同等的热点温升，NH-RM 所需泵送功率可达 S-MPF 的 20-26 倍，体现出 S-MPF 以少量功耗代价换取散热性能大幅提升的特点；在热点最大温升方面，全雷诺数区间 S-MPF 均优于 NH-RM，其热点温升从 41.87 K 降至 21.42 K，降幅 48.9%，仅在 Re = 400 工况下的热点温升就低于 NH-RM 在最高雷诺数 Re = 1000 时的结果，展现出优异的热点抑制能力；从平均绝对温度偏差 MATD 来看，S-MPF 热点区域 MATD 降幅为 18.2%-44.5%，基底全局 MATD 降幅可达 31.6%-53.5%，基底温度均匀性提升效果更为显著，热点 MATD 改善主要依靠针肋阵列的局部强化换热，而基底整体均温受益于交错通道引发的流体横向掺混，能够缓解芯片热应力、延长处理器使用寿命；从制冷性能系数 COP 来看，雷诺数较低（Re ≤ 400）时 S-MPF 的 COP 略低于 NH-RM，但雷诺数大于等于 500 后 S-MPF 的 COP 反超，高流速工况下其能效优势逐步显现；图 3 的基底温度云图直观表明，低雷诺数时 NH-RM 存在明显热点聚集与大温度梯度，即便提高雷诺数，其高温区域依旧集中，而 S-MPF 在全部雷诺数下温度分布都更加均匀，低流速条件下即可缩小热点高温范围，Re = 1000 时基底近乎等温分布，充分验证了 S-MPF 背景区交错通道实现适度均匀冷却、热点区针肋阵列实现高强度局部冷却的双区差异化设计思路的有效性，适合对芯片温度有着严苛要求的应用场景。

图 2. 雷诺数对 S-MPF 与 NH-RM 热沉各项性能参数的影响。(a) 总热阻；(b) 总泵送功率；(c) 热点区域平均绝对温度偏差 (MATD)；(d) 基底平均绝对温度偏差 (MATD)；(e) 热点最大温升；(f) 制冷性能系数 (COP)

图 3. 不同雷诺数条件下 NH-RM 与 S-MPF 热沉底面（xy 平面，z/Lz = 0）的温度分布云图；每张图的右下角标注热点最高温度。(a) 雷诺数 Re = 200；(b) Re = 300；(c) Re = 400；(d) Re = 500；(e) Re = 600；(f) Re = 700；(g) Re = 800；(h) Re = 900；(i) Re = 1000

研究中对比了固定雷诺数 Re = 800 条件下不同热点热流对 S-MPF 与 NH-RM 两种热沉热性能的影响，如图4所示，结果显示随着热点热流增大，两种热沉总热阻均会上升，但 S-MPF 热阻的增长幅度明显更小，在热点热流 200 W/cm2 时，S-MPF 总热阻较 NH-RM 降低 46.8%，在 NH-RM 适用的单相区间（最高 500 W/cm2），S-MPF 热阻始终仅为 NH-RM 的 50%-60%，并且 S-MPF 可在 900 W/cm2 极端热点热流下维持单相运行；热点温升方面，进水温度 300 K 对应的芯片安全温升限值为 73 K，NH-RM 的单相适用上限为 500 W/cm2，而 S-MPF 在热点热流由 200 W/cm2 提升至 900 W/cm2 的全过程中热点最大温升从 16.40 K 升高至 63.98 K，始终低于 73 K 安全阈值，具备充足安全裕量；在温度均匀性上，200-900 W/cm2 范围内 S-MPF 的热点与基底平均绝对温度偏差 MATD 均显著低于 NH-RM，200 W/cm2工况下其热点 MATD、基底 MATD 相比 NH-RM 分别下降 47.1% 和 58.4%，即便达到 900 W/cm2极端热流，依靠针肋阵列和交错通道的协同作用，S-MPF 依旧能够将热点温度控制在安全范围并保持良好的基底温度均匀性，有效规避芯片因局部过热与过大温度梯度发生失效；图 5 的基底温度云图直观体现，200 W/cm2 时 NH-RM 已出现温度聚集，热流达到 500 W/cm2 时 NH-RM 高温区域快速扩张，达到自身单相冷却极限，而 S-MPF 即便热流提升至 900 W/cm2 仍能维持相对均匀的温度分布；同时文中说明本研究采用单相共轭传热模型具备合理性，900 W/cm2 工况下 S-MPF 热点最高壁温低于常压下水的饱和温度，仅会出现溶解气体析出形成气泡，不会发生核态沸腾，若后续研究热流超过沸腾起始点，则需要采用两相模型开展计算。

图 4. 热点热流对 NH-RM、S-MPF 热沉各项性能指标的影响。(a) 总热阻；(b) 热点区域平均绝对温度偏差 (MATD)；(c) 基底平均绝对温度偏差 (MATD)；(d) 热点最大温升

图 5. 不同热点热流密度（qhs）下，NH-RM 与 S-MPF 热沉底面（xy 平面，z/Lz=0）的热流与温度分布云图；背景热流密度恒定为50 W/cm2；每张图右下角标注热点最高温度Tmax,bs，图右侧标注对应热点热流密度qhs。(a)qhs=200 W/cm2；(b) qhs=300 W/cm2；(c) qhs=400 W/cm2；(d) qhs=500 W/cm2；(e) qhs=600 W/cm2；(f) qhs=700 W/cm2；(g) qhs=800 W/cm2；(h) qhs=900 W/cm2

综合前文仿真结果与数据对比可知，S-MPF 热沉相对 NH-RM 热沉的性能优势来源于双区域差异化设计，由图 3 和图 5 可见 S-MPF 入口处低温区域范围更长，虽然这会造成入口段单位长度的局部换热强度有所下降，但非均匀发热工况下热管理的核心目标是实现芯片整体温度均匀而非追求入口局部换热最大化，NH-RM 直通微通道会使冷流体进入后快速升温，低温段短且温度梯度陡峭，冷却能力在入口就被提前消耗，进而造成下游热点温度偏高、整体温度分布极不均匀，而 S-MPF 背景区的交错通道依靠通道错位促使流体横向掺混，冷流体在充分受热前就和邻道流体混合，将冷却能力沿横向重新分配，抑制热边界层发展、拓宽低温区，践行了 “以空间换取温度均匀性” 的设计思路，这也是该热沉热点温升降低 48.9%、基底温度均匀性提升 53.5% 的关键；交错通道仅需小幅增加泵送功耗即可改善背景区换热均匀性，热点区针肋阵列则通过增大固液接触面积实现局部换热强化，两种结构协同让 S-MPF 在整体散热能力、热点控温、温度均匀性上全面优于对照组，尽管针肋与交错通道会增大流动阻力，使得各雷诺数下 S-MPF 泵送功耗均高于 NH-RM，但该功耗代价完全可以接受，例如 Re = 200 时 S-MPF 仅多消耗 0.37 mW 泵功，就能实现热点温升降低 15.20 K，若要 NH-RM 达到同等控温效果，其泵送功耗需要达到 S-MPF 的 20 倍以上，属于低功耗投入换取高散热收益的高效散热方案，同时 S-MPF 在极端工况下适应性突出，以 73 K 作为芯片安全温升限值，在 900 W/cm2 的极端热点热流下其热点温升仅为 63.98 K，留有充足安全裕度，证明双区设计可以有效应对高热负荷，为高性能芯片应对突发高负载工况提供可靠保障。

Part.3 研究总结

此研究面向微处理器非均匀热源热管控需求，提出交错微通道针肋混合热沉 S-MPF，在雷诺数 200-1000、热点热流 200-900 W/cm2 的工况范围内，通过数值仿真将其与传统无混合矩形微通道热沉 NH-RM 开展系统的热水力性能对比，仿真结果表明 S-MPF 各项性能指标均优于 NHRM，相同雷诺数条件下其热阻与热点温升可降低 26.6%-46.0%，相同热流条件下二者分别下降 40% 以上和约 44%，基底温度均匀性最高可提升 58.4%，Re = 200 工况下，S-MPF 仅需要 NH-RM 二十分之一的泵送功耗就可以达到同等控温效果，并且在 900 W/cm2 极端热点热流下依旧能够稳定维持单相运行，热点最大温升仅为 63.98 K，远低于 73 K 的安全温升限值，具备充足安全裕量，该双区域设计有效化解了热点抑制与能耗之间的权衡矛盾，可为下一代大功率微处理器提供可靠散热方案，从更广的设计角度来看，该研究主要有三方面启示，在设计理念上，S-MPF 采用双区差异化冷却策略，背景区依靠流体掺混、破坏边界层实现换热强化，热点区依靠扩大换热面积实现局部强化，体现了面向非均匀热载荷 “按需冷却” 的设计思路，可为其他非均匀热源热沉开发提供参考，在能效层面，研究证实通过结构优化精准分配冷却资源，仅付出较小泵送功耗代价就能够获得显著的散热性能提升，对高功率密度芯片冷却方案的节能化设计具备实际参考价值，在工程应用层面，S-MPF 既可以在 900 W/cm2 极端热流下稳定工作，又兼容现有微加工工艺，适用于 AI 加速器、高性能计算芯片等下一代高性能微处理器，这种双区架构兼顾了热点抑制与能耗经济性，为解决未来芯片日趋严峻的热挑战提供了可行的技术路径。

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