清華大學(xué)&聯(lián)想：兩相浸沒式液冷集成VC的一體化散熱器

01

背景

隨著算力需求持續(xù)攀升，下一代高功率芯片的熱管理已成為制約性能與可靠性的核心瓶頸。傳統(tǒng)風(fēng)冷、單相液冷等方案難以滿足千瓦級芯片的散熱需求，兩相浸沒式冷卻（TPIC） 憑借被動池沸騰、高換熱效率、低運(yùn)行能耗等優(yōu)勢，成為數(shù)據(jù)中心與高性能計(jì)算的主流下一代散熱方案。

然而，該技術(shù)在實(shí)際落地中仍面臨多重挑戰(zhàn)：芯片直接浸沒時沸騰效率低、高功率下溫度均勻性差、熱點(diǎn)溫度易突破 70℃安全閾值；現(xiàn)有強(qiáng)化散熱結(jié)構(gòu)多聚焦于宏觀面積拓展或微納核心改性，缺乏多尺度協(xié)同設(shè)計(jì)；同時，商用冷卻液性能與成本難以兼顧，垂直安裝場景下的熱梯度問題突出。更關(guān)鍵的是，針對 “均熱板 + 強(qiáng)化散熱器” 一體化、同時解決熱點(diǎn)抑制與溫度均勻性的系統(tǒng)性研究尚未完善。

02

成果掠影

近日，清華大學(xué)曹炳陽、李斌團(tuán)隊(duì)攜手聯(lián)想郝京陽團(tuán)隊(duì)提出一種集成式多尺度結(jié)構(gòu)散熱器，將均熱板均熱功能與多尺度表面強(qiáng)化沸騰相結(jié)合，為兩相浸沒式冷卻在高功率芯片上的工程化應(yīng)用提供了全新解決方案。本研究面向下一代大功率芯片兩相浸沒式冷卻的溫度均勻性差、高負(fù)荷下殼溫易超標(biāo)的關(guān)鍵問題，提出一種集成均熱板的一體化多尺度結(jié)構(gòu)散熱器，通過宏觀柱翅陣列、微觀鋸齒結(jié)構(gòu)與納米石墨烯涂層協(xié)同強(qiáng)化沸騰傳熱，并結(jié)合均熱板高效均熱特性，顯著改善芯片熱擴(kuò)散與溫度分布均勻性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在 600 W 功率負(fù)荷下，該散熱器可將芯片最高殼溫穩(wěn)定控制在 65 ℃以下，系統(tǒng)熱阻低于 0.026 ℃/W，芯片最大溫差由 14.3 ℃降至 3.8 ℃，均勻性提升 75%，平均殼溫降低 22.1%，平均熱阻降低 6.4%，綜合性能優(yōu)于現(xiàn)有同類方案；數(shù)據(jù)外推顯示其可滿足千瓦級芯片散熱需求。該方案工藝可量產(chǎn)、適配低成本氟化冷卻液，能直接替代傳統(tǒng)風(fēng)冷方案，為下一代高密度計(jì)算系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心高效低碳熱管理提供了可行技術(shù)路徑。

研究成果以“An integrated multi-scale structured heat sink for the efficient heat dissipation of two-phase immersion-cooled chips，發(fā)表于《Thermal Science and Engineering Progress》期刊。

03

圖文導(dǎo)讀

圖 1 兩相浸沒式冷卻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖與實(shí)物圖。

圖 2 兩相浸沒式散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工實(shí)物圖。

圖 3 微納強(qiáng)化沸騰表面制備與表征圖。

圖 4 不同芯片熱源的電壓與電流供電條件圖。

圖 5 涂層前后散熱器熱性能對比測試結(jié)果圖。

圖 6 復(fù)合結(jié)構(gòu)表面氣泡生長與脫離可視化分析圖。

圖 7 數(shù)值模擬得到的芯片與封裝蓋板溫度分布圖。

圖 8 集成均熱板解決大溫差與散熱問題設(shè)計(jì)圖。

圖 9 集成均熱板后熱性能提升對比結(jié)果圖。

圖 10 本文與參考文獻(xiàn)沸騰曲線對比圖。

圖 11 集成均熱板散熱器平均溫度數(shù)據(jù)擬合圖。

來源：https://doi.org/10.1016/j.tsep.2026.104495

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