硅基嵌入式微流控冷却新突破：北大团队以低泵浦功率刷新散热性能

北京大学及先进微纳制造技术国家重点实验室的研究人员近期推出了一种新型微流控冷却方案，其效率和效果均可能优于现有诸多方法。相关研究成果发表于《自然・电子学》（Nature Electronics），文中介绍了一种蚀刻于硅衬底的三层微流控冷却装置，该装置能够应对前所未有的高热流密度。

“先进电子设备的小型化会导致高热流密度，必须在其造成设备性能退化或失效前将热量散出，” 研究人员吴志虎（Zhihu Wu）、肖维（Wei Xiao）及同事写道，“嵌入式微流控冷却在这类系统中具有潜在应用价值，但现有设备的散热能力通常局限于 2000 瓦 / 平方厘米以下。我们提出的微流控冷却方案，以单相水为冷却剂，仅需 0.9 瓦 / 平方厘米的泵送功率，就能实现高达 3000 瓦 / 平方厘米的热流密度散热。”

锥形歧管层（顶层）：将水均匀分布于芯片表面，确保所有微通道获得等量冷却剂。这种均匀分布可避免热点产生，实现均衡冷却。

微射流层（中层）：配备微型喷嘴，能够产生高速微射流，将流体精准导向芯片表面。通过靶向热量聚集的热边界层区域，该层可显著提升热传递效率。

微通道层（底层）：包含蚀刻于硅片的微型凹槽，负责将吸热后的水带离芯片。微通道侧壁设计为锯齿形，以进一步强化散热效果。

“我们的方案基于三层结构设计，顶层为锥形歧管层，中层为微射流层，底层为带锯齿形侧壁的微通道层，” 吴志虎、肖伟及其同事解释道，“这些结构通过标准微机电系统技术直接蚀刻于硅衬底背面。此外，该装置的性能系数可达 13000，在芯片最大温升 65 开尔文的情况下，能够实现 1000 瓦 / 平方厘米的热流密度散热。”

研究人员认为，这一创新有望推动更小尺寸、更高能效、更耐用的电子设备的研发。除微芯片外，团队预计其微流控冷却技术的未来版本可扩展至更广泛的电子设备领域，有望为小型化设备的热管理设定新标准。“我们的研究证实了嵌入式微流控冷却在高性能电子设备中的应用潜力，” 团队总结道，“该方案不仅能以低泵送功率实现高效散热，还与可扩展制造工艺相兼容，为未来兼具紧凑型设计和高可靠性的电子系统铺平了道路。”