随着人工智能与高性能计算等领域的飞速发展，电子芯片的集成度与功率不断攀升，部分芯片的局部热流密度突破千瓦每平方厘米（kW/cm²）级别。因此，散热能力已成为制约芯片性能、可靠性和寿命的核心因素。然而，传统的封装工艺以及风冷、冷板等散热技术，受限于较低的对流换热系数、材料热导率以及显著的界面热阻，已难以应对未来芯片的极高散热需求。在此背景下，嵌入式微流冷却技术备受学术界与工业界关注。该技术通过在芯片背部基底中精准刻蚀微通道，将冷却液直接输送至芯片热点附近，从架构层面根本性地缩短了热传导路径，从而有望实现前所未有的高效热管理。
基于嵌入式微射流和锯齿型微通道的创新设计与精密制造，北京大学力学与工程科学学院能源与资源工程系宋柏研究员团队于2025年在Nature Electronics期刊报道了3000W/cm²的超高散热能力。该工作充分利用了水的诸多优异热物理性能，然而水的潜在导电性与腐蚀性可能给芯片带来难以承受的短路风险与可靠性挑战。与此相比，介电流体具有卓越的电绝缘性、材料兼容性以及抗微生物能力，作为备选冷却液有其独特优势。令人遗憾的是，介电流体较低的沸点、比热、汽化潜热以及表面张力，使其在面向高功率器件散热时容易发生两相流动失稳，导致其冷却能力长期低于1000W/cm²。
针对上述挑战，宋柏团队近日以“Horizontal-up microfluidics for embedded chip cooling with a dielectric fluid”为题，再次于Nature Electronics期刊发表论文。该研究通过优化设计在三维空间内解耦进液与排气路径，提出“水平进、垂直出”的嵌入式歧管微通道结构（HUMMC, horizontal-up manifold microchannel），基于微机电系统（MEMS）制造工艺，使用介电流体HFE-7100，实现了最高1570W/cm²热流密度的稳定两相冷却。这一工作将绝缘介质微流相变冷却能力提升至全新水平，为高性能芯片的嵌入式冷却提供了潜在的安全可靠的解决方案。
该器件包含歧管和微通道两层硅基结构，微通道直接集成在芯片加热区域背面（图1）。工作时，冷却液从芯片两侧水平进入，通过较窄的歧管入口流入下方微通道，形成微射流以强化液体补充和局部换热。与此同时，歧管的对称设计将流动路径缩短约一半，并将微通道划分为多个并联换热区域，进一步降低压降和改善温度均匀性。冷却液在微通道中吸热汽化后，形成的气液混合物通过垂直出口快速向上排出。出口处的肩部过渡结构使流动截面从微通道到歧管出口、顶部集流腔逐级扩大，降低了气泡排出阻力并抑制回流。
图1：嵌入式HUMMC芯片结构
研究团队使用介电流体HFE-7100对HUMMC芯片进行了系统测试，并设计制造传统单层平直微通道（SPMC, straight parallel microchannel）冷却方案作为对比（图2）。在60ml/min 流量下，HUMMC具有更低的热阻和更好的温度均匀性，同时压降低于传统微通道结构的14%，并实现约1200W/cm²的临界热流密度，接近传统微通道方案640W/cm²的两倍。进一步提高流量后，HUMMC在120ml/min下实现了高达1570W/cm²的临界热流密度，此时芯片最高温升约为130K。研究团队还在1000至1400W/cm²的多个工况下分别进行了持续10分钟的高负荷稳定性测试。结果显示，芯片最高温度波动幅度在±2.0K以内，压降波动在±1.5kPa以内，表明该结构有望在千瓦每平方厘米量级热负荷下提供稳定冷却的能力（图3）。
图2：HUMMC与传统微通道的流动换热性能对比
图3：HUMMC的极限冷却性能与运行稳定性
在现有基于介电流体的芯片冷却研究中，池沸腾的临界热流密度通常低于100W/cm²，喷淋冷却通常低于500W/cm²，微通道和歧管微通道流动沸腾通常低于1000W/cm²，均低于相应的水工质相变冷却技术的散热能力（图4）。宋柏团队的嵌入式HUMMC冷却技术实现了1570W/cm²散热能力，达到了水工质相变冷却技术的先进水平。更为重要的是，相关测试芯片采用标准硅基MEMS工艺制备，具有与现有半导体制造和封装流程深度集成的潜力。
图4：代表性相变冷却技术性能对比
论文通讯作者为宋柏，博士生肖维和课题组毕业生吴志鹄博士为共同第一作者。其他研究人员包括博士生江智耀、博士后王毓熙（现为南京大学助理教授）以及北京大学集成电路学院王玮教授。
相关工作获得国家自然科学基金创新研究群体项目B类（52521007）、教育部中央高校青年教师科研创新能力支持项目（ZYGXQNJSKYCXNLZCXM-E1）、国家重点研发计划（2022YFA1203100，2024YFA1207900，2023YFB4404100）、北京市自然科学基金（QY23035）等资助。感谢新基石科学基金会“科学探索奖”、北京大学微米纳米加工技术全国重点实验室、北京大学分子材料与纳米加工实验室及北京大学高性能计算平台的支持。
