杭州電子科技大學趙文生ATE: 水凝膠增強的自適應射流沖擊散熱器

論文信息：

Cheng-Yi Feng, Lazaros Aresti, Peng Zhang, Da-Wei Wang, Wen-Sheng Zhao, Paul Christodoulides, Smart cooling: Hydrogel-enhanced adaptive jet impingement utilizing through silicon via for integrated microsystems, Applied Thermal Engineering 268 (2025) 125895

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2025.125895

Part.1

研究背景

在全球半導體產業持續向三維異構集成發展的背景下，芯片級熱管理已成為制約微系統性能與可靠性的核心挑戰。尤其在人工智能、高性能計算等前沿領域，芯片功耗密度不斷攀升，且不同功能模塊的功率分布極不均衡，形成顯著的局部"熱點"效應。傳統的均勻冷卻方案難以應對這種非均勻熱負載，往往導致低功耗區域過度冷卻而熱點散熱不足，嚴重影響系統穩定性與能效。

為解決這一難題，射流沖擊冷卻技術因其卓越的局部換熱能力而備受關注；同時，硅通孔（TSV）技術為三維集成提供了垂直互連與熱管理路徑。然而，現有的TSV增強型射流沖擊散熱結構多為固定幾何形式，缺乏根據芯片實時熱狀態進行動態調節的智能響應能力。智能響應材料與自適應冷卻機制的引入為突破這一瓶頸提供了新思路。溫敏水凝膠具有溫度響應的體積相變特性，可作為微型執行器實現流道的智能調控。但現有研究多局限于傳統平面微通道內的集成應用，未能將其與高性能的垂直射流沖擊冷卻及三維熱通路進行創新性融合。

為此，本研究提出了一種水凝膠增強的自適應射流沖擊散熱器（AJIHS），通過集成溫敏水凝膠智能閥門、TSV垂直熱通路與定向射流沖擊冷卻，構建出能夠實時感知并響應熱點溫度變化的智能熱管理系統。

Part.2

研究目標與創新點

本文在前期射流沖擊冷卻與TSV熱管理研究基礎上，開展了系統級、多物理場耦合的數值分析，核心目標包括：

1、 構建熱-流-固耦合的自適應散熱數值模型框架

2、分析水凝膠智能閥門在動態熱負載下的響應機理與調控規律

3、定量評估自適應散熱器在不同功率密度下的綜合熱性能

4、為自適應散熱器在三維集成系統中的應用提供設計與優化依據

自適應沖擊散熱器封裝模型

本研究提出的AJIHS核心由三部分構成：TSV銅柱熱通路、PNIPAM溫敏水凝膠閥門、以及微射流沖擊冷卻結構。水凝膠被精確鍵合于暴露的TSV銅柱頂端，并位于流體入口噴嘴正下方，形成"溫度感知-幾何變形-流量調節"的閉環控制系統。

圖1 自適應射流沖擊散熱器（AJIHS）封裝結構

圖2 (a)簡化的AJIHS單元結構示意圖；(b)橫截面圖；(c)俯視圖和(d)仰視圖

凝膠熱響應模型

本研究采用聚(N-異丙基丙烯酰胺)溫敏水凝膠，其體積隨溫度變化遵循特定的相變規律。通過引入熱膨脹參數α建立水凝膠幾何尺寸與溫度的數學關系：

圖3 (a)熱膨脹參數作為溫度的函數；(b)AJIHS自適應結構在最大和最小高度的變形示意圖

如圖3所示，當溫度超過閾值時減小，導致水凝膠半徑和高度收縮，從而模擬其溫敏變形行為。該模型準確描述了水凝膠在臨界溫度附近的急劇收縮行為，為自適應仿真提供了關鍵材料特性輸入。

暴露TSV銅柱的制造工藝流程

圖4直觀地展示了如何制備用于鍵合溫敏水凝膠的銅柱基座。這是實現“水凝膠-TSV-射流入口”三位一體自適應結構的關鍵前提。水凝膠需要牢固地附著在一個高導熱的金屬表面上，而暴露的TSV銅柱滿足了這一要求。該工藝一共分為6個步驟，硅襯底減薄、深反應離子刻蝕通孔、物理氣相沉積銅層、自下而上電鍍填銅、化學機械拋光去除多余銅、背面刻蝕以暴露銅柱。

圖5 TSV的暴露制造工藝：(a)減薄硅襯底；(b)在硅通孔中制造通孔DRIE刻蝕；(c)使用物理氣相沉積（PVD）沉積銅籽晶層；(d)自下而上電鍍銅TSV；(e)通過化學機械拋光（CMP）去除多余的銅；(f)通過硅層的背面刻蝕暴露TSV

邊界條件設置

本文模型側面為對稱邊界，所有壁面為無滑移條件。冷卻水設定為固定流速層流。底部熱源采用關鍵的非均勻熱流邊界。其余表面設為絕熱。

圖6 所提出的AJIHS模型的邊界條件配置。(a)俯視圖和 (b)仰視圖

評估參數提取

本研究定義了四個核心性能參數來量化評估AJIHS的散熱能力：芯片最高溫度、總熱阻、溫度均勻性、熱擴散阻力。這四個指標從極限溫控、傳熱效率、溫度分布和熱量擴散四個維度，構建了完整的散熱性能評價體系。

圖7 由溫度定義的熱阻網絡，包括擴散阻力、一維傳導阻力和對流阻力

網格獨立性分析與數值結果驗證

為確保后續仿真結果的準確性與可靠性，本研究首先通過網格獨立性分析確定計算精度。其次，將仿真結果與三組已發表的經典實驗數據進行交叉驗證。

圖8 散熱器 (a)峰值溫度和 (b)壓降與網格節點數的網格敏感性測試

圖9 所提出的AIJHS的計算網格，(a)俯視圖；(b)仰視圖和 (c)橫截面視圖

圖10 不同模型對應的溫度和壓降結果的實驗數據和仿真數據的對比

仿真方法

本研究采用COMSOL Multiphysics與MATLAB聯合仿真策略，實現水凝膠變形與流體換熱的雙向耦合計算。

圖11 基于COMSOL Multiphysics和MATLAB的AJIHS仿真流程圖

自適應動態特性分析

圖12 使用不同導熱系數的水凝膠的AJIHS對應的最大芯片溫度和散熱器壓降

圖12分析了水凝膠導熱系數對系統性能的影響。在0.3-2.0 W/(m·K)的典型范圍內，導熱系數的變化對芯片最高溫度和系統壓降的影響微乎其微。這表明水凝膠在該系統中主要發揮溫度驅動機械執行器的功能，通過體積變形調節流量，而非作為主要導熱路徑。系統散熱性能主要由后續的射流沖擊換熱和銅柱導熱主導。

圖13 (a)迭代過程中水凝膠半徑的變化；(b)迭代過程中水凝膠高度的變化；(c)芯片區域峰值溫度和出口與入口之間的壓降隨迭代次數的變化

圖13展示了自適應散熱器的動態響應過程。圖13 (a)中水凝膠半徑隨迭代呈現周期性收縮與回彈。圖13 (b)顯示水凝膠高度同步變化，其變化相位與半徑完全對應。圖13 (c)圖揭示了芯片最高溫度與系統壓降的耦合振蕩關系。水凝膠通過感知溫度變化不斷調節自身幾何形狀，從而改變流體通道開度，形成一個完整的溫度-變形-流量負反饋回路。

圖14 (a)-(h)AJIHS在第1次迭代到第8次迭代過程中的流體速度分布圖和流線圖

圖14展示了散熱器內部流場的自適應變化。水凝膠通過溫度控制的收縮與回彈，智能調節入口開度，使流場在“無流/弱渦流”與“垂直強射流”兩種模式間切換。這種流場模式的主動調控，實現了冷卻強度與熱負載的實時匹配。

圖15 (a)-(h)AJIHS在第1次迭代到第8次迭代過程中的溫度分布云圖

圖15揭示了自適應散熱器的熱調控機理。溫度驅動水凝膠變形，智能切換散熱模式：阻塞時依賴固體導熱，開啟后轉為射流沖擊對流。這種動態切換使系統能在熱量積累與高效冷卻間自主循環，實現精準溫控。

圖16 (a)-(h)AJIHS在第1次迭代到第8次迭代過程中的壓力分布圖

圖16展示了散熱器壓力場的自適應變化。水凝膠的變形直接調控了流道形態與壓力分布：阻塞時壓力集中于入口；開啟后高壓區下移，并在強射流區形成低壓核心；回彈時壓力分布重置。這種周期性壓力重分布與流場演變同步，是實現智能冷卻時流體阻力動態調整的直觀體現。

AJIHS性能評估參數選擇方法

圖17 (a)-(f)AJIHS在不同功率條件下十六次迭代的溫度和壓降

圖17顯示了自適應散熱器在三種功率下的溫度與壓降響應，所有參數均呈周期性振蕩。在自適應散熱器動態循環的工作特性下，提出了一種提取代表性穩態參數的方法。鑒于芯片溫度在循環中呈現“峰值-穩定平臺-峰值”的規律，選取穩定平臺期的平均溫度作為熱性能評價指標。同時，由于壓降周期性波動相對平緩，選用單周期內的最大壓降值作為流體阻力評價指標。

自適應AJIHS與非自適應冷卻沖擊射流散熱器（JIHS）的比較

圖18. (a) AJIHS 模型和 (b) JIHS 模型對比

圖19 (a)總熱阻；(b)溫度均勻性；(c)擴散熱阻；以及 (d)不同熱通量下AJIHS和JIHS對的總散熱器壓降

通過AJIHS和JIHS的對比，揭示了自適應散熱器相比傳統固定結構散熱器的綜合優勢。如圖19所示，在300-600 W/cm2的熱流密度范圍內，自適應散熱器在幾乎不增加總熱阻（僅+3.08%）和壓降（最大+1.28 kPa）的前提下，將溫度均勻性顯著提升12.21%，并降低熱擴散阻力約13%。這表明自適應結構能智能分配冷卻資源，精準強化熱點散熱同時避免背景區域過冷，從而在復雜熱負載下實現更優的熱管理與更高的系統可靠性。

Part.3

研究總結

本文對一種集成水凝膠智能閥門與硅通孔技術的自適應射流沖擊散熱器進行了多物理場耦合數值分析，系統研究了自適應結構在非均勻熱負載下的動態響應特性與綜合散熱性能，并與傳統固定結構散熱器進行對比，得到以下結論：

（1）該結構可實現溫度驅動的閉環自適應控制，在動態熱負載下維持芯片熱平衡。

（2）與固定結構散熱器相比，其在總熱阻與壓降幾乎不變的條件下，將溫度均勻性提升12.21%，熱擴散阻力降低13%。

（3）該系統能精準強化熱點冷卻并避免低功耗區過冷，有效改善三維集成芯片的熱管理問題。

（4）水凝膠導熱系數在實用范圍內對性能影響很小，其核心功能是熱機械響應。

（5）該自適應散熱器為高功率密度、非均勻發熱的集成微系統提供了高效的智能熱管理方案。

（6）研究驗證了該設計的可行性及與現有半導體工藝的兼容性，為實際應用奠定基礎。

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