摘要：近日，东京大学的研究团队公布了一种创新的3D水冷系统，该系统充分利用了水的相变过程，实现了高达7倍的热传递效率提升。这一研究成果目前发表在《Cell Reports Physical Science》杂志上。

本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）综合

该系统制冷系数（COP）最高可达10万，显著优于传统冷却技术。

近日，东京大学的研究团队公布了一种创新的3D水冷系统，该系统充分利用了水的相变过程，实现了高达7倍的热传递效率提升。这一研究成果目前发表在《Cell Reports Physical Science》杂志上。

摩尔定律所描述的芯片持续微型化趋势一直是数字时代发展的强大动力。然而，随着芯片尺寸不断缩小且性能日益强大，散热问题逐渐成为制约其发展的关键瓶颈，现有的冷却技术已难以满足需求。

目前，一种有效的冷却方法是在芯片内部直接构建微通道。这些微小的通道通过循环水吸收并带走热量。然而，这种方法受到水的“显热”的限制，即水在不发生相变的情况下能够吸收的热量。相比之下，水在沸腾或蒸发时吸收的“潜热”大约是其显热的 7 倍。该研究的主要作者解释称：“通过利用水的潜热，可以实现两相冷却，从而显著提高散热效率。”

此前的研究已经展示了两相冷却的潜力，但也指出了该技术的复杂性，主要是由于在加热后难以控制蒸汽气泡的流动。同时提高热传递效率取决于多种因素，包括微通道的几何形状、两相流的调控以及流动阻力。

此次研究的新型水冷系统包括三维微流体通道结构，利用毛细管结构和歧管分配层，同时设计和制造了各种毛细血管几何形状，并在一系列条件下研究了它们的特性。

其核心技术采用双级流动设计：冷却剂先流经宽幅歧管，再进入20微米宽的精密微通道网络，精准锁定芯片热点实现瞬间汽化散热。团队证实该方案热流密度可达1千瓦/平方厘米，完美适配下一代AI芯片需求，且微通道可直接蚀刻于硅晶圆背面，兼容现有半导体工艺。

研究发现，冷却液流经的微通道的几何形状以及控制冷却液分配的歧管通道，都会影响系统的热性能和水力性能。根据其所测量的有用冷却输出与所需能量输入的比率，即制冷系数（COP），最高可达10万，这一数字显著优于传统冷却技术。

随着芯片技术的不断进步，芯片性能在日益提升的同时功耗也随之增加。根据统计数据，电子元器件温度每升高2℃，可靠性下降10%，温度达到50℃时的寿命只有25℃时的1/6，因此数据中心及AI芯片厂商都在不断探索散热技术以保证其产品性能。

前文提到的芯片内微通道散热就是当前芯片散热的一种技术。该技术最初是由斯坦福大学的TUCKERMAN和PEASE在1981年提出，其在硅衬底上加工了宽度为 50 μm的微通道结构，在 790 W/c㎡的热流密度下，芯片的温升被控制在71℃以内。2022 年，北京大学提出了一种双H型芯片歧管内嵌冷却结构，采用硅-硅键合工艺集成，可针对面积为400m㎡、功耗为417W的芯片，在温升为22.2℃的情况下，实现了对104.3 W/c㎡热流密度的冷却。另外，洛桑联邦理工学院的研究人员再次升级了嵌入式冷却的想法，从一开始就将电子元件和冷却装置设计在一起，在芯片内部设计了三维冷却通道，在晶体管的有源部分下方，距离实际产生热量的地方只有几微米，这样可以防止热量在整个设备中扩散。

随着市场需求的增长，越来越多的企业开始涉足芯片级散热领域，芯片厂商台积电、英伟达、英特尔等均有自己的散热方案。

其中，台积电在2021年针对高性能芯片提出了两种近芯片冷却方案，一种是在芯片与硅微通道之间采用氧硅键合进行集成，可在特定温升和功耗下实现有效冷却；另一种是片上水冷技术，能满足不同参数芯片的散热需求。2022年又提出浸没式两相冷却方案，将浸没式冷却应用于高功率封装上，热阻低，可在一定温升下实现高功率密度的冷却，且该方案在电源使用效率方面表现优异，有望成为未来数据中心或超算中心主流的冷却方式之一。

英伟达推出了基于直接芯片冷却技术的A100 800G PCIe液冷GPU，较风冷版本性能相当，但电力节约30%左右，单插槽设计节省最多66%的机架空间。2024年发布的GB200 NVL72，单功率约120kw，采用液冷系统设计，降低了成本和能耗。此外，英伟达还率先采用钻石散热GPU进行测试实验，性能显著提升。

英特尔的散热方案主要是通过“新材料和结构革新”，涵盖了从3D均热板的改进和射流液体冷却，以及浸没式冷却相关的优化设计。例如计划通过改进的沸腾涂层来促进两相冷却中的成核点密度，提高均热板工质的核沸腾能力，并降低接触热阻。

日月光半导体在2024年10月公布的“封装结构”专利中，引入了一种第一热电结构，具备温度感测模式和制冷模式。该热电结构能够穿入介电层，贴近芯片的第一表面，从而在制冷模式下对芯片提供有效的冷却。

值得注意的是，根据相关数据显示，2024年全球数据中心热管理市场规模为165.6亿美元，预计到2029年将增长至345.1亿美元，2024-2029年的复合年增长率（CAGR）为15.8%。从技术渗透率来看，Omdia预计2023年数据中心风冷和液冷市场规模为76.7亿美元，其中液冷的渗透率约为17%。

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来源：半导体产业纵横一点号