电子科技快速发展，芯片高度集成化带来更快的数据处理容量、更快的计算速度、更多功能的同时，一方面使得器件热流密度不断增大，甚至呈现近几何增长的规律；另一方面由于芯片上电路或组件布置和集成不均，造成芯片上功率分布不均，不同位置的产热量存在较大差异，而引起局部热流过高，使电子设备的可靠性受到了严重影响。为有效解决这一“热障”问题，采取高效的散热结构和散热介质非常有必要。

图源：降本设计

高效的散热方式——微通道结构

传统自然和强制空气对流冷却散热能力低于 100 W/cm² 已经逐渐不能满足高热通量电子设备的散热要求。于是，研究人员提出了微热管、真空腔均热板以及微通道散热器等新兴技术。其中微通道散热器具有结构紧凑、散热能力强和噪音小等优点，被认为是最具有前景的高热通量散热技术之一。

微通道结构

所谓微通道，是指流体通道的水力直径从几微米到几百微米的通道。这个概念的首次提出源自于1981年，Tuckerman和Pease在对水流过芯片上的换热通道进行研究时，发现水力直径与换热能力呈负相关关系。据此他们采用湿法腐蚀工艺直接在Si 基板上刻蚀出宽 50 µm、深 300 µm 的多条平行微通道，之后在微通道中通入冷却介质，通过微泵来驱动冷却介质的强制对流，实现了散热热流密度高达 790 W/cm²，整体散热基板的热阻低于 0.09℃/W的高效散热效果。

微通道散热基本结构

与常规冷却系统相比，微通道冷却系统具有微尺度效应，不仅在相同体积下传热面积更大，冷却介质将产生沸腾传热效应，溶液中产生的气泡将对流体流动产生扰动, 增强涡流效应，式整体散热性能更高。而且可直接将其蚀刻在芯片基板内部，既保证芯片热源到冷却介质的传热路径尽可能短，器件体积尽可能小，还与传统基板制造工艺兼容，适合高密度集成微系统应用，能够在提高封装体功能密度的同时降低成本。因此，微通道热沉散热技术在高密度集成微系统中有着巨大的应用前景。

各类散热技术对应的传热系数对比

高潜热冷却介质——相变微胶囊悬浮液

在微通道散热技术中，冷却介质对微流道结构的散热能力产生很大的影响。目前，微通道热沉冷却介质主要采用空气、液态水、乙二醇等，但显然这些材料已经越来越难以适应大功率器件/系统的散热需求，因此具有高潜热特性的相变微胶囊悬浮液受到了人们的关注。

相变微胶囊是以相变材料作为芯材用聚合物或无机材料等壁材通过为微胶囊化方法进行封装而形成的微米级固体颗粒，其芯材（相变材料）在温度变化时能够从一个物态转变为另一个物态，并伴随着大量的潜热吸收或释放，而其壁材可以解决传统相变材料中的各种问题，如发生相变时前后体积变化大，热形变冷却介质颗粒易导致微通道堵塞，泄漏风险较高，部分相变材料还易腐蚀散热通道等。

典型相变材料：水的相变

相变微胶囊的颗粒形貌

利用相变微胶囊与传统单相流体(基液)经搅拌混合而成的相变微胶囊悬浮液，并将其应用于散热器或其他电子设备的散热系统中，不仅能在传热过程中利用相变材料的相变潜热能力，强化悬浮液的对流传热作用，提升设备运行时的传热效率，使设备温度保持在安全范围内，还可以将相变材料与周围环境隔离，避免腐蚀散热器件，改善热稳定性。

总结

微通道结构具有微尺度效应，相比常规散热结构具有更大的传热面积，将它刻蚀于电子设备的芯片上，还可缩短芯片发热源到散热介质的传热路径，能够迅速把局部高温待到更大的表面上，提升整体的散热性能。但其本质上也依赖于散热介质的导热能力，传统的冷却介质空气、液态水、乙二醇等无法满足越来越高的散热需求，而相变微胶囊悬浮液可以充分利用相变材料高潜热特性，强化悬浮液在通道内的对流换热，平衡芯片上的温度分布，同时也能避免一些相变材料在微通道中易堵塞、易腐蚀、易泄露的问题，为电子设备局部热流过高、热流密度大的问题提供了一个新思路。

由于微通道具有微尺度效应，相变微胶囊悬浮液将在其中相将产生沸腾传热效应，溶液中产生的气泡将对流体流动产生扰动, 增强涡流效应，同时气泡贴近管壁,减小管壁阻力的同时将减薄流体的温度边界层,从而增强液体与管壁之间的传热。

参考来源：

1、李梓龙,王智彬,贾莉斯等.非均匀热流下细小通道内相变微胶囊悬浮液传热特性[J].制冷学报.

2、[1]郑浩.微通道流动沸腾冷却技术及应用[J].应用技术学报.

3、用于高密度集成微系统的微通道散热技术研究进展

4、[1]鲍义斌. 相变微胶囊悬浮液的流动与传热特性及在电池热管理中的应用[D].中国矿业大学.

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