单相液冷微通道散热器结构研究新进展技术白皮书

1. 摘要

2. 研究背景与意义

2.1 高热流密度散热挑战

近年来，集成电子器件逐渐向高度小型化的方向发展。据统计，未来集成器件的热流密度可达1000 W/cm²，而约80%的芯片故障是由高温造成的[1]。随着人工智能、大数据、云计算等技术的快速发展，高性能计算芯片（如GPU、TPU）的功耗持续攀升。以英伟达最新一代AI芯片为例，单卡功耗已突破1000W，传统风冷散热方式（散热能力一般低于100 W/cm²）已无法满足需求[2]。

在数据中心领域，单机柜功率密度逐渐超过30kW，一般认为30kW是风冷散热的上限。Colocation America数据显示，2023年全球数据中心单机柜平均功率达到20.5kW，单机柜功率超30kW占比不断提升[3]。随着AI算力需求爆发性增长，液冷技术已成为高功率芯片散热的"必选项"。

2.2 微通道散热技术优势

微通道散热器（Microchannel Heat Sink, MCHS）相比于常规尺度散热器，不仅具有更大的传热面积和更高的散热效率，还更加紧凑、轻便，特别适用于处理空间受限或对重量敏感场景下高热流密度器件的散热问题[4]。1981年，Tuckerman和Pease首次提出了用于高热通量散热的微通道散热器，其矩形通道（宽50μm、间隔50μm、深302μm）在水的单相流动下，散热量高达790 W/cm²，远超传统换热方式[5]。

单相液体冷却应用简单、稳定性强，是目前应用最广泛的冷却方式。微通道单相液冷技术已在多个领域得到应用，包括大功率LED光源发热结的快速冷却、数据中心的CPU芯片冷却、太阳能电池冷却、高速列车牵引IGBT模块冷却、燃料电池散热、火箭推进器冷却等[6]。

3. 微通道散热器结构分类

对于单相液冷微通道，强化结构的设计基于边界层重建与二次流动、促进流体混合、改变流体流路等思路。本文结合国内外研究进展，将单相液冷微通道散热器在结构设计上的发展进程分为六大类，分别是通道几何结构、扰流结构、针肋结构、多层结构、仿生结构和复合强化结构[4]。

3.1 通道几何结构

通过改变微通道的几何结构能够增加传热面积、改变流动模式，进而提高流量分配和温度的均匀性。其中又分为纵横比、截面形状和流道形状的改变。

3.1.1 纵横比优化

矩形截面微通道由于加工简单、成本可控、流动稳定、方便堆叠与集成的特性，仍是现阶段关注的重点。合理的结构设计对提升其流动与传热性能有重要影响，其中通道宽度与高度是影响性能的关键几何参数，通常采用无量纲参数纵横比β_AR = H_ch/W_ch描述[7]。

Wang Hongtao等[7]在雷诺数Re为200~700、热通量为100 W/cm²工况下，设计加工了β_AR = 1.030~20.333不等的12种矩形微通道并展开实验研究。结果表明：在相同的Re下，β_AR越高，热阻越小，压降和传热系数越高；但当β_AR提高至11.442时，热阻和压降变化的梯度变缓。因此判断当β_AR = 8.904~11.442时可以为矩形微通道提供最佳的热效率。

3.1.2 异型截面设计

除矩形截面外，对三角形、梯形截面的研究成为热点。Wang Hongtao等[7]在保持水力直径和通道数相等的情况下，对矩形、梯形和三角形截面的微通道进行了数值模拟。结果表明：矩形截面的压降最大，三角形截面的压降最小；当泵功为1W时，三角形和梯形截面的热阻分别比矩形截面高11.82%和1.01%，而矩形截面的传热系数分别比三角形和梯形高约25.83%和24.47%。

A.A. Alfaryjat等[8]加工了具有相同水力直径的六边形、圆形、菱形截面微通道，在Re为100~1000、热通量为500 kW/m²工况下进行实验研究。结果表明：六边形截面微通道的传热系数和压降比圆形截面分别高3.5%、8.6%，比菱形截面分别高24.0%、3.3%，但菱形截面微通道的平均表面温度最低。

3.1.3 流道形状优化

非平直流道可以通过增强流动混合强化传热。M. Khoshvaght-Aliabadi等[9]设计了一种正弦形波浪形微通道，研究表明：正弦结构所需泵功比平直结构大2.5~7.8倍，随着Re的增加，热阻最多比平直通道降低约57.4%。原理是当流体流经凸起处时，会产生名为迪恩涡的二次流使流体混合增强从而强化传热。

Peng Yi等[10]设计制造了4种不同角度（30°~90°）的锯齿形微通道，在质量流量为10~45 g/min、热源初始温度为50~75℃工况下进行实验研究。结果表明：减小锯齿角度能改善传热性能，当锯齿角度为30°时具有最高的传热系数和最低的热阻。

3.2 扰流结构

在微通道中加工肋柱或凹腔能够增加传热面积，促进流体与流动边界层和热边界层的混合，对传热性能有不同程度的改善。

3.2.1 肋柱结构

M.M.U. Rehman等[11]在Re为100~1000、热负荷为100 W/cm²工况下对微通道内的椭圆形、梯形、水滴形和矩形肋进行数值模拟。结果表明：椭圆形肋具有全局最高的努塞尔数Nu，而矩形肋的Nu最低；Re<600时，椭圆肋表现出最好的综合性能，除此之外水滴肋为最优结构。

Wang Guilian等[12]将侧壁垂直矩形肋（VR）与横向肋（SR）结合设计的新型肋称为双向肋（BR），在Re为100~1000、热通量为100 W/cm²工况下进行实验和数值研究。结果表明：在相同的流量下，BR的Nu比VR、SR分别高1.4~2.0倍、1.20~1.42倍，因为BR通过中断热边界层并在垂直方向和水平方向上诱导流动混合来提供更高的传热性能。

3.2.2 凹腔结构

凹腔的作用与肋柱相似，均是通过增加传热面积、干扰热边界层的中断和再发展以及通过涡流混合实现强化传热。Ma D.D.等[13]设计了侧壁具有对称三角形凹腔的结构，相比于光滑微通道，其Nu提高了1.56~1.29倍。

Zhu Qifeng等[14]设计了矩形、三角形、梯形、水滴形和半圆形结构偏置凹腔，在Re为190~610、热通量为100 W/cm²工况下进行数值研究。结果表明：矩形凹腔的压降最低，三角形凹腔压降最大，但同时也具有最高的Nu和最高的综合性能因子，因此三角形凹腔在改善流动与传热方面具有显著优势。

3.3 针肋结构

针肋微通道通过增加传热面积、破坏流动边界层、引发湍流的方式提高传热性能。Wang P.等[15]制造了圆形、方形、菱形和水滴形4种不同形状的微针肋，以去离子水为工质进行数值研究发现：水滴形肋的Nu最高，菱形肋的压降最低，菱形肋的ψ最高，对于改善流动与传热性能最有帮助。

夏国栋等[16]设计了长菱形针肋，与相同尺寸的圆形、菱形针肋相比，长菱形针肋具有全局最高的Nu和ψ。该结构不仅能够拓展传热面积，还可以避免针肋尾部涡脱落造成的阻力损耗。

崔珍珍等[17]设计了一种圆形针肋穿叉布置三角形小肋的组合式针肋，三角形小肋的存在能够破坏边界层的发展，在圆肋尾部形成纵向涡，减小尾部回流，增强流场的扰动，提高流场和温度均匀性。与不含尾部肋的圆形针肋相比，当冲角θ为30°时，Nu最多增加118%，具有最高的综合性能。

3.4 多层结构

K.C. Wong等[18]提出了双层微通道结构，它能够使更多的冷却工质流经散热器的顶层和底层，以消散更多的热量。Wu J.M.等[19]研究单层和双层微通道的热阻、壁面温度、压降等参数发现：与单层结构相比，采用逆流布置的双层微通道散热器不仅能够降低热阻，而且能够降低基底表面的最高温度和流向温升，同时压降也大幅降低。

Lei N.等[20]设计制造了1~5层的矩形微通道，在总流量相同的情况下对其进行实验研究。由于单个通道中的流速降低，多层结构的压降远小于单层的压降，且层数越多，压降越小。研究表明：当流量增至一定范围时，单层通道中扰流态转变为湍流，而多层通道中仍为层流，剧烈的扰动会赋予单层结构更高效的传热强化效果。

3.5 仿生结构

仿生结构微通道是一种灵感来源于生物学的设计，利用生物系统中的结构和原理来改善微通道的性能，实现更有效的流体分配、传热、混合等过程。

Peng Yi等[21]根据植物叶片的叶脉结构设计了叶脉分形Y型微通道结构，在Re为118、热通量为10 W/cm²工况下进行数值模拟。结果表明：Y型结构的截面最高温度比平直通道低13℃，压降低75%，并指出在研究工况范围内，分叉角度为60°、分支数为10、通道级数为3时为最优的布置结构。

刘显茜等[22]借鉴昆虫翅膀设计了一种仿生翅脉型微通道，采取体积分数为50%的乙二醇溶液作为冷却液，在Re为643.23、热通量为50 W/cm²工况下对其进行数值研究。结果表明：传热系数为2 W/(m²·K)，仿生翅脉结构的表面最高温度比平直结构降低了3.01℃，压降降低了87 Pa。

申鑫等[23]借鉴鱼鳞和鲨鱼皮盾鳞结构设计了一种鱼鳞仿生结构微通道，在Re为290~1180、热流密度为50 W/cm²工况下进行数值模拟。研究表明：新型微通道的ψ均在1.05~2.08，综合性能获得显著提升，其中品字形排布的等比劈缝鱼鳞结构由于压降更低、二次流扩散面积及有效传热面积较大，因此综合性能最好。

3.6 复合强化结构

随着电子设备集成度的提高，单一形式的微通道散热器在某些场景已经无法满足散热需求。研究人员将不同的强化结构进行组合，设计了复合强化结构微通道，使其应用领域进一步拓展。

Chai Lei等[24]在横断区布置5种中断肋，采用去离子水为工质对其进行数值模拟，并与光滑微通道进行对比。结果表明：横断区复合椭圆肋表现出最佳的综合性能，类似地，复合结构的传热系数与压降均大于各单一结构。

Feng Zhenfei等[25]提出了一种在横断区布置纵向涡流发生器（LVG）的结构，采用去离子水为工质，在Re为133~596、热通量为100 W/cm²工况下进行数值模拟。研究表明：LVG存在最佳布置参数，在该布置下能够获得最大的ψ为1.45。

Dey P.等[26]设计了一种仿生鱼鳞型多孔肋结构，在Re为200~1100、热通量为50 W/cm²工况下进行数值模拟。结果表明：与光滑微通道相比，设置实心和多孔鱼鳞型肋的最大传热系数分别增强了12倍和65%，压降相比于未添加多孔介质的微通道有所降低。因此，多孔鱼鳞结构能够更好地实现传热和压降之间的平衡。

4. 性能评价指标体系

通常描述微通道散热器的性能使用摩擦系数f、泵送功率、努塞尔数Nu、热阻和热效率等作为评价指标。为了更好地描述微通道散热器的综合性能，通常还采用对比的方法对强化结构的性能进行评价[4]。

4.1 综合性能因子

综合性能因子ψ用于评价微通道散热器的整体性能，其定义为强化结构与光滑微通道的努塞尔数之比除以摩擦系数之比的1/3次方：

4.2 热阻

热阻是衡量散热器传热性能的重要指标，定义为温差与热流量之比。对于微通道散热器，热阻越低表示传热性能越好。目前先进微通道散热器的热阻可达到0.1 K·cm²/W以下[27]。台积电的硅整合微冷却器（IMC-Si）在CoWoS封装中实现3000W散热，热点温度低于70°C，热阻<0.1 K·cm²/W[28]。

5. 典型结构性能对比分析

表1汇总了六种典型微通道散热器结构的性能参数对比，包括热阻、摩擦系数比和综合性能因子等关键指标。

从表1可以看出：

• 波浪形通道的综合性能因子最高（ψ=2.53），但压降也最大（f/f₀=3.10），适用于对散热性能要求极高且能承受较大泵功的场景。

• 双层逆流结构在降低热阻的同时保持了较好的综合性能（ψ=1.64），且压降增幅适中，是一种平衡的选择。

• 鱼鳞仿生结构在压降控制方面表现优异（f/f₀=0.40），同时综合性能良好（ψ=1.60），体现了仿生设计的优势。

• 复合结构通过组合不同强化手段，能够在传热和压降之间取得更好的平衡。

6. 基体材料与加工工艺

6.1 常用基体材料

选择高导热系数的材料通常是微通道散热器设计的核心，材料价格是影响成本的因素之一。表2汇总了常见微通道基体材料及参数[4]。

目前最常使用的基体材料为铜、铝、硅三种。铜具有良好的导热性能和机械强度，常见于计算机、服务器等需要高效散热的应用中；铝则因为相对较低的成本和轻质化使其在消费电子产品、航空航天领域得到广泛应用；硅的导热系数相对较低，更多的应用于半导体和微电子领域[4]。

金刚石作为微通道基体材料具有极高的硬度、极好的导热性能，还具有较好的抗腐蚀性和电绝缘性。但由于价格昂贵、加工难度较大，使其在大规模生产应用中受到限制。金刚石/铜复合材料结合了金刚石优异的导热系数和铜的韧性，同时还具有较小的密度和相对低廉的价格，是最有发展前景的新型基体材料之一[29]。

6.2 加工工艺分析

在微通道中实现微尺度强化结构的制造对加工工艺提出了挑战。随着先进制造方法的发展，可以使用蚀刻（湿法/干法）、激光切割技术、烧结、3D打印、微机械切削工艺、微电火花、气相沉积、热压注塑成型等方法进行加工制造[30]。表3归纳了典型结构微通道散热器的加工方法与成本。

3D打印技术为微通道散热器制造带来了新的可能性。根据锦富技术信息，其开发的0.08mm微通道液冷板已获得某台湾客户的订单，已用于B200芯片的液冷散热系统[31]。3D打印增材技术生产灵活，可实现更精细和更复杂的内部流道和微结构设计，通过3D打印赋能异形微通道加工，有望突破传统制造工艺下的冷板散热效率上限[32]。

7. 应用领域与市场前景

7.1 数据中心与AI算力

在数据中心领域，随着功率密度的持续增加，微通道散热器不与电子元件直接接触，从而提高了可靠性和与现有硬件的兼容性。此外，较低的冷却剂消耗和紧凑轻便的结构特性使得微通道散热器能够灵活应用于新的数据中心安装和现有设施的改造[33]。

智算场景下冷板式液冷成为主流方案，微通道散热器作为冷板组件关键之一成为技术迭代的重要方向。GPU并行架构使其功耗增长速度高于其他元件，智算场景下机柜发热不均问题显著，冷板式方案通过微通道设计选择性降温，成为液冷的主流方案[32]。

英伟达采用的微通道冷却技术代表了芯片级散热的未来趋势。台积电的硅整合微冷却器（IMC-Si）在CoWoS封装中实现3000W散热，热点温度低于70°C，热阻<0.1 K·cm²/W。在GB200 NVL72系统中，采用双相浸没式微通道冷却，热阻低至0.05 cm²K/W，对比传统导热膏（~1 cm²K/W），热阻降低20倍[28]。

7.2 新能源汽车

新能源汽车的电池、电机在工作时会产生大量热量，若温度过高（超过45℃），会导致电池寿命缩短、电机性能下降，甚至引发安全事故。微通道换热器凭借高效的散热能力，成为新能源汽车热管理系统的核心组件[34]。

特斯拉Model 3的电池热管理系统采用"蛇形微通道"设计，能在电池快充（15分钟充电至80%）时，将电池温度稳定在35-40℃，避免过热。比亚迪的刀片电池则搭配"扁平微通道散热器"，散热面积比传统散热器大3倍[34]。

在电机散热方面，某新能源车企的电机采用微通道油冷系统后，电机的最高工作温度从150℃降至120℃，电机寿命延长50%，同时功率密度提升15%[34]。

7.3 5G通信与边缘计算

诺基亚液冷基站散热器采用CNC加工的6063铝合金基体，重量较传统铜质散热器降低60%，配合液冷系统，整机PUE值降至1.1以下[35]。某企业研发的微型CNC加工散热器，尺寸仅50×50×15mm，通过仿生微通道设计，在10W功耗下，表面温度较传统散热器低15℃。

7.4 市场规模预测

根据市场研究机构数据，全球微通道散热器市场规模在2024年达到34.1亿美元，预计到2033年将达到81.8亿美元，年复合增长率（CAGR）为11.2%[36]。亚太地区是微通道散热器市场的领导者，2024年占全球市场份额超过38%，市场规模约为13亿美元。

液冷技术市场呈现更快速的增长态势。根据中国信通院数据，2024年我国智算中心液冷市场规模达到184亿元，较2023年同比增长66.1%。预计未来经过5年增长，到2029年我国智算中心液冷市场将达到约1300亿元，5年增长超7倍[37]。

AI数据中心液冷渗透率将从2024年14%大幅提升至2025年33%，并持续增长。2025年中国液冷市场规模将达33.9亿美元，2025-2029年复合增长率48%；全球液冷支出将以14%的年复合增长率增长，到2029年将超过610亿美元[38]。

8. 发展趋势与展望

基于对国内外研究进展的系统分析，单相液冷微通道散热器结构研究呈现以下发展趋势：

8.1 结构优化方向

• 复合结构深化：复合强化结构可以根据特定的应用需求进行非标定制，在热管理领域中具有重要意义。各强化结构的复合并非简单地堆砌，需要建立在对各基础强化结构的深入理解上。

• 仿生设计拓展：学者们从植物、昆虫、动物等生物体系中得到启发从而设计了各种仿生微通道。目前对于仿生微通道散热器的研究大多集中于理论与数值计算，今后的研究可以侧重于实验装置的研制以测试其实际冷却性能。

• 多层结构优化：多层微通道能够提供更大的传热面积，有助于提高传热效率，同时也具有更复杂的流路，有助于流体的混合和分配。

8.2 材料创新方向

• 高导热复合材料：金刚石/铜复合材料由于其高导热系数和相对较低的成本具有突出的应用前景。

• 纳米涂层技术：可引入纳米涂层技术、碳纳米管、石墨烯和金属有机骨架材料，改变微通道的表面特性和纹理。

• 超疏水表面：超疏水表面产生的"滑移效应"可降低流体在壁面处的流动阻力，流动阻力最多可减少40%[39]。

8.3 加工技术进步

• 3D打印技术：预计到2033年，增材制造在液冷热交换器、液冷歧管、冷板式液冷板的渗透率有望较快提升[32]。

• 微纳加工工艺：微纳复合结构激光精密加工工艺将成为未来研究方向之一[40]。

8.4 智能化发展

可引入自动化智能控制系统，以实时监测和调整控温策略，从而最大程度地提高散热效率。机器学习辅助微通道散热器结构优化已取得进展，中国科学院工程热物理研究所建立了神经网络以拟合尺寸参数和性能参数间的关系，并用其对大量未知工况进行了预测[41]。

9. 结论

本文系统综述了单相液冷微通道散热器在结构设计方面的最新研究进展，主要得出以下结论：

1. 微通道散热器结构可分为通道几何结构、扰流结构、针肋结构、多层结构、仿生结构和复合强化结构六大类，各类结构在传热系数、压降、综合性能、均温性等方面各有优缺点。

2. 波浪形通道的综合性能因子最高（ψ=2.53），但压降也最大；双层逆流结构和鱼鳞仿生结构在传热与压降之间取得了较好的平衡。

3. 铜、铝、硅是目前最常用的基体材料，金刚石/铜复合材料是最有发展前景的新型基体材料之一。

4. 3D打印技术为复杂微通道结构的制造提供了新的可能性，有望突破传统制造工艺的限制。

5. 数据中心、新能源汽车、5G通信是微通道散热器的主要应用领域，市场前景广阔。

6. 复合结构的应用、仿真与实验的结合、材料学与加工技术的进步以及学科交叉是今后结构研究的重点。

随着AI算力需求的持续爆发和电子设备集成度的不断提高，单相液冷微通道散热器技术将迎来更广阔的发展空间。隆源高科（北京）技术有限公司将持续关注该领域的技术进展，为客户提供先进的热管理解决方案。

参考文献