微通道冷卻與先進封裝融合：從襯底設計到系統優化

隨著AI芯片持續突破功率密度極限，微通道冷卻技術憑借其卓越的散熱能力和緊湊的結構，正日益成為高功率密度器件散熱的主流解決方案。

行業研究及技術報告指出，“微通道冷卻正逐步成為高功率密度電子設備熱管理的主流方案。”與傳統風冷或標準冷板相比，微通道液冷的散熱能力顯著更高，并可針對熱點管理進行定制化設計。這些優勢正推動其在高性能計算服務器、數據中心及其他高功率系統中的廣泛采用。

事實上，多家領先企業已在其下一代GPU和AI加速器中引入微通道冷板，其支持的熱通量密度可達每平方厘米數百瓦至一千瓦以上。

盡管傳統冷板在低功率應用中仍具備成本效益與結構簡單性，但它們已無法滿足未來數十至數百瓦/平方毫米的散熱需求。在此條件下，微通道冷卻幾乎是唯一可行的解決方案。因此，可以預見，微通道冷卻將取代傳統冷板與均溫腔，在未來數年內成為AI芯片的主流熱管理策略。

韓國科學技術院近期在一場報告中指出，隨著3D堆疊與異質整合技術的興起，芯片封裝日趨復雜，對熱管理提出了更高要求。近期研究已開始探索將微通道結構直接嵌入封裝層級，以提升冷卻性能。

例如，一些研究團隊已在先進2.5D/3D集成電路中的硅襯底或互連層內制造微通道，以實現層間流動沸騰冷卻。亦有報道記載了在硅-氮化鎵襯底上蝕刻微通道并進行流動沸騰實驗，證明了“片上微通道冷卻”的能效潛力。

類似地，可在高帶寬內存與GPU之間的中介層內設計流體通道，以實現跨芯片的熱量移除。

總體而言，盡管在封裝層級集成微通道需要解決封裝可靠性與互連密度等挑戰，但其技術可行性已通過早期原型得到驗證。因此，在3D堆疊架構下，將微通道集成至封裝層正成為一種前景廣闊的熱解決方案。

微流體冷卻與基于制冷劑的直接液冷各有獨特優勢。

目前，水基微流體冷卻因其成熟的系統架構、高效率以及與現有數據中心冷卻基礎設施的兼容性，在高性能計算領域得到廣泛部署。

相比之下，基于制冷劑的冷卻方式傳熱系數更高，對環境溫度敏感性較低，適用于特定應用場景。然而，它通常需要使用特殊的絕緣流體，且系統設計更為復雜?，F階段斷言哪種技術將主導市場為時尚早?？赡艿那榫鞍ǎ?/span>

• 基于制冷劑的兩相冷卻將應用于極端環境、超高功率應用或對清潔度要求嚴苛的場景；

• 水基微通道冷卻憑借成本與維護優勢，將在商業數據中心和AI加速器集群中繼續保持更高普及度。

  
  

簡言之，兩種技術均具備大規模商業化潛力，具體選擇取決于應用需求、成本考量及安全因素。

此外，硅光技術與共封裝光學器件正日益緊密地與電子設備集成，其本身也具有顯著的熱管理需求。

研究已開始探索集成熱管理與光學互連功能的多功能襯底。例如，可以考慮在承載硅光波導的硅中介層中蝕刻微通道，使流體冷卻通道緊鄰光波導布置，從而實現熱管理與光信號路由的同步進行。

事實上，一些研究已為共封裝光學模塊設計冷卻板以管理光學模塊熱負載，但這些通常是在宏觀冷板層面實現，而非在襯底內部。為實現真正的襯底級熱光集成，必須解決工藝兼容性挑戰。

盡管仍處于探索階段，但技術趨勢表明，微通道冷卻與光學互連可能在封裝層級協同演進，催生兼具高帶寬光子互連與高效散熱能力的電光混合襯底。當單芯片或模塊功率超過數千瓦時，現有的微通道技術需融入更多創新以維持穩定的熱性能。

相變材料（PCM）能吸收短期功率尖峰并逐漸釋放熱量。例如，可將微封裝相變材料或相變流體嵌入熱點附近，以平滑熱瞬態并抑制結溫峰值。

兩相流控制也將愈發關鍵。

這包括對氣泡生成、流體回流與流量分配的精確管理，可能利用電磁場或微電極主動控制沸騰動力學。通過將微型流量與溫度傳感器陣列嵌入冷板內部，可實時監測局部工況，進而由微控制器動態調節泵速或流量分配，實現自適應熱管理。

針對極端熱通量場景，研究已開始將新型高導熱材料與開放式微通道結構相結合，即使在超過1000 W/cm2的熱通量下也能穩定運行。簡而言之，為應對5000W以上時代，需在以下方面進行創新：

• 微通道結構設計

• 先進材料集成

• 流體管理策略

• 系統級智能控制

研究表明，將新一代熱管理材料與優化的微通道幾何結構相結合，可極大提升極端條件下的冷卻穩定性。

微通道冷卻技術通過微米級流道顯著提升了傳熱效率與熱通量處理能力。盡管制造挑戰因材料與集成策略而異，但微通道注定將與先進封裝技術深度融合。通過運用新材料、創新架構及智能控制，微通道冷卻有望為下一代AI芯片提供高效、可靠且可擴展的熱管理解決方案。

來源：Semi Vision

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