芯片级微流道浸没架构中多孔介质基底对两相沸腾核化点空间分布与局部热流承载能力的调控机制研究
发布日期：2026年09月11日
【摘要】 本研究揭示了在芯片级微流道浸没架构中，多孔介质基底通过调控汽泡成核的空间分布与动态演化路径，显著影响局部热流承载能力的物理本质。传统均质表面易导致核化点随机聚集，引发局部干涸与热阻跃升；而多孔结构凭借其固有的孔隙尺度梯度与毛细输运特性，可实现核化点的均匀化排布与汽液相间协同管理，从而延缓热点形成、提升热流密度阈值。研究进一步表明，孔隙率、喉道尺寸及润湿性等结构参数并非独立作用，而是通过耦合界面能垒、汽泡脱离频率与再润湿速率，共同决定沸腾过程的稳定性与传热效率。该机制为高功率芯片热管理提供了从“被动散热”向“主动热流空间编排”的设计范式转变依据，对下一代紧凑型浸没式冷却系统架构优化具有直接指导价值。
【概览】
关键发现：
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多孔介质基底通过孔隙尺度梯度与毛细输运协同作用，可主动引导汽泡核化点的空间排布，抑制随机聚集引发的局部干涸。
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核化点分布均匀性与局部热流承载能力呈强正相关，其本质受界面能垒、汽泡脱离频率和再润湿速率三者动态耦合支配。
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孔隙率、喉道尺寸与表面润湿性不具独立调控效应，需作为结构参数集进行协同优化才能稳定沸腾过程。
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传统均质表面因缺乏相间路径管理能力，易在高热流下触发热阻跃升，反映被动散热范式的固有局限。
核心建议：
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在微流道浸没冷却基板设计中，优先采用具有可控孔隙梯度的多孔材料，并将喉道尺寸与目标工况下的汽泡特征尺度匹配。
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建立结构参数—界面动力学—传热性能的闭环验证流程，重点标定再润湿速率与汽泡脱离频率的耦合响应区间。
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推动热管理设计从“热通量均摊”转向“热流空间编排”，在芯片布局阶段同步嵌入多孔基底的核化引导区域规划。
【引言】 随着高性能计算、人工智能芯片及高功率密度光电子器件的持续演进，单芯片热流密度已突破1 kW/cm²，传统风冷与均热板方案逼近物理极限。在这一背景下，芯片级微流道浸没式两相冷却因其高潜热利用效率与紧凑集成优势，正成为下一代热管理的核心路径。然而工程实践中发现：即便采用相同流道几何与工质，不同基底结构（如硅基微柱阵列、烧结铜粉、激光刻蚀多孔层）所表现出的核化点启动温度、空间分布均匀性及局部临界热流（CHF）差异显著——这直接制约了冷却系统的可靠性与功率扩展能力。本研究聚焦于“多孔介质基底”这一关键界面，摒弃将基底视为被动传热通道的惯性认知，转而将其视为主动调控沸腾核化行为的“空间编码器”：其孔隙尺度、连通性与表面能梯度共同构筑了气泡成核的势垒地图，进而决定核化点的空间排布规律与热流承载的局域韧性。我们通过高时空分辨红外热成像与同步X射线可视化，结合可控参数化基底制备，系统解析孔隙结构—核化动力学—局部热流分配三者间的耦合机制，旨在建立可工程复用的“结构-性能”映射关系，为面向3D Chiplet封装与异构集成的定制化微流道基底设计提供可验证、可迁移、可制造的技术依据。
一、芯片级微流道浸没架构中多孔介质基底的结构-传热耦合特性实证分析 芯片级微流道浸没架构中，多孔介质基底并非被动导热载体，而是热-流-力多场耦合的主动调控界面。其结构参数（孔隙率、孔径分布、连通性、表面曲率）与传热性能之间不存在线性映射关系，而呈现强非线性响应特征——这是由两相沸腾核化过程的本质决定的：核化点的生成既依赖局部过热度驱动，又受微尺度气液界面钉扎效应、毛细抽吸能力及汽泡脱离动力学的联合约束。业务逻辑上，若仅将基底视为“高导热填充物”，则必然低估其空间异质性对热流承载边界的重构作用；实践中，热流密度峰值往往不落在最高温区，而集中在孔隙拓扑突变或润湿性梯度交界处——这揭示出结构设计必须前置嵌入传热功能目标，而非后置适配。 尚参科技提出的“结构-传热耦合三阶响应模型”为此提供分析锚点：第一阶为几何约束层（孔隙骨架对汽泡成核位点的空间锚定），第二阶为输运调制层（毛细压力梯度与剪切流速共同决定液膜补给效率），第三阶为动态稳定层（孔隙网络在汽泡周期性生长/溃灭下的局部热惯量缓冲能力）。该框架表明，提升平均热流承载能力的关键不在单纯增大孔隙率，而在于优化孔径分级分布——大孔保障主流体通量与汽泡逃逸通道，微孔维持近壁面液膜连续性，中孔则承担汽液相变界面的动态锚定。行业普遍规律印证：当孔径标准差超过均值40%时，核化点空间离散度显著升高，反而削弱热流承载的可预测性与鲁棒性。
进一步看，多孔基底的“结构-
