隨著半導體技術向三維（3D）高密度封裝演進，芯片堆疊導致熱流密度急劇上升，傳統的微電子散熱技術（如背部微通道、熱界面材料等）面臨巨大的熱阻瓶頸，尤其是中間層芯片的熱量極難導出。為了解決3D堆疊芯片內部的局部熱點和高熱流密度問題，直接在芯片內部集成微流體通道的主動冷卻技術成為了研究熱點。然而，傳統的芯片內（In-chip）縱橫交錯的常規微通道在流體驅動時往往伴隨著極高的壓力降（Pressure Drop），且容易導致芯片內部溫度分布不均勻。因此，如何在3D封裝內部構建出低泵功耗、高換熱效率、低壓力降且能實現均勻冷卻的創新流體流動路徑（Flow Pathways），是當前高性能計算（HPC）和AI芯片熱管理領域亟待解決的核心科學與工程問題。
近日，南京工程學院能動學院孫穎穎團隊針對傳統微通道熱沉（MCHS）應用于三維封裝芯片時溫度均勻性差、壓降高、豎向傳熱能力不足三大痛點，提出一種穿芯片穿孔式微通道熱沉（TCP-MCHS）。該文將豎向穿孔結構與水平微通道相結合，借助有限元法開展數值仿真，系統探究穿孔半徑、穿孔密度、穿孔間距、入口流場分布四大關鍵參數對系統熱工水力性能的影響，并完成結構多目標優化，結構優勢與整體性能提升TCP-MCHS 大幅縮短冷卻液流道長度，使冷卻液流向與芯片主熱流方向趨于平行，同時利用流體替代芯片及封裝層部分實體材料，有效降低豎向熱阻。與傳統 MCHS 相比，優化后的 TCP-MCHS 綜合性能顯著提升：壓降降低 67%、熱阻降低 15%、芯片表面溫度標準差降低 26%、芯片最高溫度降低 8%，芯片整體溫差下降 38%，兼顧散熱能力、溫度均勻性與系統能耗。本文提出的 TCP-MCHS 及配套優化參數組合，有效解決了三維封裝芯片的散熱難題，為高端電子封裝的芯片熱管理提供了一種新型、高效的冷卻方案。
研究成果以“Constructing efficient flow pathways with a novel through–chip perforated structure for advanced thermal management of 3D packaging chips ”為題，發表于《Energy Conversion and Management》期刊。
穿芯片穿孔式微通道熱沉尺寸示意圖。
入口流速 0.2m/s 時，溫度標準差、熱阻隨穿孔半徑的變化曲線；(c)不同穿孔半徑下中心截面流速分布云圖標注：流速 (m/s)、穿孔半徑0.1mm/0.2mm/0.4mm/0.6mm/1mm；(d)泵耗功率、壓降、對流換熱系數、綜合性能評價指標隨穿孔半徑的變化曲線。
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來源： https://doi.org/10.1016/j.enconman.2026.121550
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