CIME2026深圳国际热管理材料博览会|导热散热|仪器设备

微通道液冷简介 微通道液冷是一种利用具有数百微米到数毫米尺度流道的散热结构，将冷却液直接引导到发热芯片（CPU、GPU、FPAG，ASIC 等）表面附近，通过液体的高导热与高比热特性高效带走热量的技术。

微通道液冷引起国际巨头热议 在2024年IEEE ECTC会议上，一篇题为“迈向基于微通道的芯片冷却”的引人注目的技术论文被发表。这篇论文的价值不仅在于其技术深度，还在于其作者来自SEMI、KLA、EVG、Meta、台积电、惠普、谷歌和日月光等全球领先机构。台积电在 IEEE ECTC 2024 上展示了其“硅集成微冷却器” ，展示了利用 MEMS/DRIE 技术直接蚀刻到有源芯片背面的晶圆级微通道。这些通道与 CoWoS 封装和中介层集成，可支持高达2.6 kW 的热通量，同时保持 ΔT ≈ 63 °C。正在进行的研究包括沟槽、柱状和平面微通道变体，其中基于柱状的结构表现出最佳性能。微通道冷却的优势和挑战 随着人工智能和高性能计算 (HPC) 的快速发展，芯片功率密度和封装复杂性不断提升，传统冷却方法已达到极限。当表面热通量超过300 W/cm²时，风冷和传统冷却板等解决方案已不再适用。为此，业界正在转向更高效的局部热管理策略，其中基于微通道的液冷已成为领先的下一代解决方案。为何采用微通道冷却？传统的冷却技术，例如散热器、热管和冷板，已经成熟并广泛应用于台式机和服务器。然而，在 NVIDIA 的 B100、Cerebras 的 WSE 或 AMD 的 MI300 等高功率 AI 芯片中，不均匀的热点可能会导致热节流、性能下降甚至物理故障。微通道冷却具有以下几个关键优势：靠近热源：微通道可以直接集成到芯片表面或 3D 堆叠中的芯片间层中，从而最大限度地降低热阻。高对流传热系数：微尺度通道促进从层流到湍流的转变，显著提高热性能。模块化设计：可以定制通道几何形状和分布以与热点位置保持一致。适应高热通量：单相和双相液体冷却方法均允许微通道支持几百 W/cm² 的热通量。微通道几何形状和封装挑战微通道的几何形状（矩形、圆形、锯齿形）和尺寸（宽度、深度、间距）会影响热阻、压降和流动均匀性。关键的封装挑战包括：管理硅和金属冷却结构之间的热界面平衡压降并确保流体分布均匀设计与先进封装兼容的接口（例如2.5D/3D IC、HBM）确保材料可靠性并减轻包装引起的机械应力本文强调了薄的高导热硅层与低电阻 TIM 和集成接头相结合的价值，以提高封装限制内整体冷却模块的可行性。实验验证和性能结果来自各种微通道配置的热性能和流体性能数据显示：微通道冷却可有效维持芯片热点温度低于70°C实现热阻低于0.1K·cm²/W ，性能优于传统冷却数倍增加通道数量可以降低每个通道的压降，但代价是增加流量分配和封装复杂性。微通道液冷的挑战尽管微通道冷却具有诸多优点，但它也面临一些局限性：流体分布不均匀和热点管理：在并联微通道配置中，不合适的歧管设计（例如 U/I/Z 型）会导致局部热点流动不均匀和冷却不足。加入纳米流体或许可以改善热均匀性，但会增加流体管理系统的复杂性。封装集成和结构可靠性：将冷却通道与芯片封装相结合，必须考虑CTE失配、机械应力和封装应变。TIM通道、硅片和金属层之间的热界面也会消耗部分热预算，有时甚至超过30%。两相冷却的复杂性：虽然两相冷却（沸腾）具有出色的传热效率，但它带来了设计复杂性工程师必须管理沸腾压力、冷凝回收，并避免干涸（冷却剂失去接触）。

微通道冷却的一些产业化进展 

台积电ECT2025最新技术披露：芯片直接液冷

2025台积电展示了CoWos-R最新的热管理的研究进展，主要讨论了两部分内容：（1）对比了三种不同的TIM1在CoWos-R的热管理性能；（2）介绍了一种名为硅集成微冷却器（IMEC-Si）的液冷架构。

在本研究中采用三种先进 TIM 的 CoWoS-R 热测试载体（TTV），包括：（1）石墨薄膜 TIM；（2）液态金属凝胶 TIM；（3）铟金属 TIM。为进一步提升金属 TIM封装的热性能，设计了具备冲击结构的新型液冷系统，以应对超过 2000W 的热功率输入。tsmc该方案利用先进的硅制造技术，在有源硅芯片的背面直接制造硅微柱阵列，以实现直接液体冷却。他们研究了微柱的几何形状和流动条件，并成功证明：使用 40°C 的水作为冷却剂，IMC-Si能够在接近全晶圆尺寸的芯片上耗散2000瓦的均匀热量，且系统能耗极低，小于 10 瓦。

集成液体歧管以实现直接液体冷却的 CoWoS-R 封装示意图（图源：IEEE ECTC）

为了展示 IMC- Si与台积电用于高性能计算（HPC）应用的 3D Fabric™平台的集成能力，该解决方案被集成到 3.3 倍晶圆尺寸的 CoWoS-R热测试载体（TTV）平台上。已开发出一种 CoWoS组装工艺，通过应用密封剂来实现液体入口/出口歧管的组装。针对组装流程中不同温度导致的CoWoS- R封装翘曲变化，对密封剂的机械可靠性进行了测试。同时，还在严苛的压力条件下对密封剂进行测试，以确保无泄漏。台积电还证明在允许结温（Tj）上升 60°C（合理流量下晶圆入口温度为 20°C）的情况下，IMC-Si可实现超过 3000 瓦的散热能力

JetCool——将实验室理念推向工程化的代表企业JetCool 是美国马萨诸塞州的创新冷却企业，成立之初即以“打破传统冷却范式”为目标，其研发路径与EPFL提出的芯片微通道冷却有着高度的技术理念共振。但不同的是，JetCool 所采用的微喷射冷却阵列，则更像是从系统端优化的“软着陆”版本——实现了类似的热阻极限突破，但更容易嵌入到现有产业链之中。JetCool的核心理念是微尺度喷射冷却（Microconvective Cooling）。其冷却模块由密布微喷嘴的金属板构成，这些喷嘴以几十微米的尺寸，能够将冷却液以高速精准喷射至芯片表面最热区域，随后迅速带走热量。本段整理来自-洞见热管理

未来发展和系统级集成 与传统散热技术相比，不论是散热能力还是集成发展，微通道散热结构均有着较强的优势。对微通道结构进行优化设计是提高微通道散热结构综合散热性能的主要手段。微通道冷却在三维集成电路、先进封装和芯片内流体通道中的未来应用。随着人工智能芯片从平面架构演进到垂直堆叠和异构集成架构，冷却技术必须与芯片设计同步演进，以应对兆瓦级计算模块的散热挑战。微通道冷却已不再仅仅是学术研究的课题，它正在成为下一代人工智能封装的核心推动力。通过结合材料科学、流体力学和半导体封装领域的进步，这项技术正在迅速转化为工业应用，为支持人工智能计算的基础设施带来革命性的冷却能力飞跃。