湖北大学吴小虎老师《International Communications in Heat and Mass Transfer》：芯片局部热点区域布置拱形针肋的微通道散热器

论文封面:

Keywords: Arched pin-fin; Thermal-hydraulic performance; Microchannel heat sink; Local hotspot; Parametric synergism

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2026.113015

摘要：

高功率芯片工作时易产生局部热点。高热流密度下散热能力不足，已成为制约器件性能提升的关键瓶颈。针对传统光滑微通道散热器（TSMC）局部换热能力不足的问题，此研究提出一种在热点区域内置新型拱形针肋的微通道散热器（APFMC）。采用三维共轭传热数值模拟方法，系统研究 6 种改型结构在不同针肋数量与高度耦合作用下的流动与换热特性，雷诺数范围 240-800，热流密度 300-1600 W/cm²。结果表明：针肋结构能够有效强化流体扰动、破坏热边界层，改善热点区域的温度分布。所有构型中，APFMC-3 综合性能最优。与传统光滑微通道散热器 TSMC 相比，其最高温度降低 8.6 K；尽管压降有所上升，但增幅控制在 14% 以内，综合性能系数（COP）优于 TSMC，实现了换热强化与功耗控制之间的良好平衡。此外，在 800 W/cm² 的高热流密度工况下，APFMC-3 仍可将热点温度稳定控制在 373 K 的安全阈值以下。研究证实，拱形针肋结构可显著改善面向局部热点的微通道散热器整体热水力性能，为高功率芯片热管理提供一种高效、低能耗的优化设计方案。

本文亮点：

1.结构创新：针对芯片局部热点，提出仅在热点区域布置拱形针肋的微通道散热器 APFMC，热点入口增设导流结构；依靠拱形外形抑制流动分离与尾迹回流，既强化扰动，又避免流动阻力过度激增，区别于全通道布置针肋的传统方案。

2.揭示参数协同机制：阐明针肋高度起主导作用、数量为次要调控变量的耦合规律。1.0 mm 全高针肋换热最强但压降剧增；0.4 mm 矮针肋会发生严重流体旁通，底部流量不足致使换热恶化；0.7 mm 针肋形成 “底部扰动+顶部旁通” 的分层绕流模式，实现换热与流动阻力的良好权衡；针肋数量对性能的调控幅度远小于高度。

3.优异综合热水力与变工况适配性能：最优构型 APFMC-3 在雷诺数 240800、热点热流密度 300-1600 W/cm² 宽工况下表现突出；在800 W/cm² 高热流时可将热点温度控制在硅基芯片安全阈值 373 K 以下，相比基准光滑微通道最高温度降低 8.6 K，压降增幅仅约 13.77%，性能系数 COP 更优，为高功率芯片局部热点提供低能耗散热设计思路。

研究背景：

芯片微型化使得功率密度急剧升高，局部热点热流可达 kW/cm² 级别。热点带来的温度梯度会造成器件性能劣化、电迁移甚至热失控，热管理成为高功率微电子发展的关键制约。微通道散热器是超高热流散热的重要技术，但传统光滑微通道在层流状态下热边界层持续发展，面对非均匀热点载荷时换热能力不足，热量易聚集。已有研究表明针肋可以破坏热边界层实现换热强化，流线型针肋虽有较好换热效果，却存在高雷诺数性能衰减、加工困难、易堵塞等短板；多数研究基于均匀热流开展，针肋高度与数量的耦合机制在热点非均匀加热条件下尚不清晰，参数匹配不当易引发流体旁通、流量分配失衡等问题，部分新型自适应针肋结构也难以满足高热流下的稳定性要求。

在此背景下，本文设计在芯片局部热点区域布置拱形针肋的微通道散热器，同时在热点入口增设导流段引导冷却介质流向高热流区域。基于 1.0 mm 微通道高度设置 3 种针肋高度，搭配两种针肋数量得到 6 组不同构型，以传统光滑微通道作为对照组。采用三维共轭传热数值模拟，在雷诺数 240-800、热点热流 300-1600 W/cm² 范围内，系统揭示针肋高度与数量协同作用下的流动换热内在机理，综合评估不同构型的换热性能、流动阻力与能量效率，剖析旁通、分层绕流等典型流动现象，为高功率芯片局部热点提供高效低能耗的热管理设计方案。

图文导读：

图 1. 散热器结构示意图：(a) APFMC-3 散热器三维视图及微通道几何尺寸；(b) 热点区与基底背景区热流边界示意图；(c) 中心热点、背景区域的尺寸范围以及针肋结构参数。

图1 (a) 展示创新结构：APFMC-3的三维几何模型。图1 (b) 为基底热点热流边界条件、热点区域划分。图1 (c)给出局部热点区域针肋的排布细节。图2分别展示了APFMC-3结构的网格无关性验证以及模型验证。

图 2. (a) 网格无关性验证；(b) 仿真结果与实验结果对比。

图 3 对比了Re = 240-800范围内 6 种拱形针肋改进构型与基准 TSMC 光滑微通道的底面最大温升、总热阻以及基板温度均匀性。针肋高度是影响换热性能的主导因素：1.0 mm 全高针肋（APFMC-1、APFMC-2）可以获得最低的底面温升与总热阻，基板温度均匀性最优；0.7 mm 部分高度针肋（APFMC-3、APFMC-4）存在顶部旁通间隙，随雷诺数升高，其换热与均温性能逐步接近全高针肋；0.4 mm 矮针肋（APFMC-5、APFMC-6）会产生严重流体旁通，底部热点区域流量不足，在中低雷诺数下温升、热阻高于基准光滑微通道，温度均匀性显著变差，仅高雷诺数时性能差距有所缩小。针肋数量为次要调控参数，同等针肋高度下，48 根针肋构型相较 36 根针肋拥有更大固液换热面积、更强流体剪切与掺混效果，温升、热阻与温度均匀性更优，但针肋数量带来的性能提升幅度远小于针肋高度带来的改变。

图 3. Re = 240-800工况下，6 种改进结构与传统光滑微通道散热器的换热性能评价：(a) 基板底面最大温升；(b) 总热阻；(c) 温度均匀性。

图 4 为Re = 240-800范围内各散热器基板底面温度云图。基准 TSMC 光滑微通道无主动流动扰动，热边界层持续发展，热点高温区域面积大，热点与周边区域温度梯度陡峭。1.0 mm 全高拱形针肋构型（APFMC‑1、APFMC‑2）依靠流道内强烈涡扰动，大幅缩小高温区域，有效缓和温度梯度，控温效果最好。APFMC‑3 通过基板附近产生流体扰动抑制热点温度；而 APFMC‑5 受流体旁通效应制约，底部流量供给不足，热点热量无法被流体及时带走，其高温区范围甚至大于光滑微通道。以Re = 800工况为例：TSMC 基板最高温度为 343.1 K；APFMC‑1 降温幅度最大，最高温度降至 328.9 K，降幅 14.2 K；APFMC‑3 最高温度 334.5 K，降温 8.6 K；APFMC‑5 仍维持较高温度水平。温度云图直观印证：针肋高度决定热点基底能否获得充足流量与有效扰动，是换热性能的决定性因素，针肋数量仅起辅助调节作用。

图 4. Re = 240-800工况下，APFMC-1至APFMC-6 与 TSMC 结构的基板底面温度变化云图。

图 5 给出Re = 240-800下各结构的单通道平均压降与总泵耗功率。所有结构的压降、泵耗功率均随雷诺数增大而上升，基准 TSMC 光滑微通道的流动阻力与泵耗始终最低。散热器流动损失受针肋高度主导，针肋高度越大，流道堵塞程度越高，流动阻力越大。Re = 240时，APFMC-1 全高针肋压降相比 TSMC 提升 49.9%；APFMC-3 压降仅增加 5.24%；APFMC-5 矮针肋的压降甚至略低于 TSMC。当Re = 800，APFMC-1 压降达到 TSMC 的 1.79 倍，阻力代价显著；APFMC-3 压降和泵耗功率相对 TSMC 增幅分别仅为 13.77%、13.75%；APFMC5 流动阻力仅略高于基准模型。针肋数量对阻力的影响较弱，针肋数量由 48 根减少至 36 根，压降与泵耗功率变化幅度小于 7.4%，远不及针肋高度带来的阻力变化。综合来看，APFMC-3 在实现换热强化的同时较好抑制了流动阻力的增长。

图 5. Re = 240-800工况下，APFMC-1至APFMC-6 与 TSMC 结构的流动阻力性能评价：(a) 单通道平均压降；(b) 总泵耗功率。

图 6与图 7揭示不同针肋高度下的内部流场特征。基准 TSMC 光滑微通道内部为平行分层流动，近壁存在较厚的低速边界层，热点区域无明显漩涡与横向速度分量，热量仅依靠分子扩散传递，因此流动阻力小，但热点冷却能力有限。APFMC-1 为 1.0 mm 全高针肋结构，针肋完全占满流道高度，无顶部旁通间隙。流体被迫挤压穿过针肋间隙，局部流速显著增大；针肋前缘形成滞止区，尾部生成大量漩涡，不断剥离底部热边界层，卷吸低温主流流体至壁面，换热效果最优。但流道迂回程度大，前缘压差阻力、尾涡耗散与间隙摩擦阻力叠加，造成压降与泵耗功率急剧升高。APFMC-3 采用 0.7 mm 部分高度针肋，针肋顶端与盖板之间保留间隙，形成底部针肋扰动、顶部旁通分流的分层绕流模式。底部针肋之间产生漩涡与横向速度，破坏基板热边界层；顶部间隙的旁通流分担一部分流量，避免全部流体绕流针肋带来的阻力激增。随着雷诺数增大，惯性作用增强，更多流体侵入底部针肋阵列，扰动效果进一步提升，在换热强化与阻力代价之间取得良好平衡。APFMC-5 为 0.4 mm 矮针肋，顶部间隙很大，流体旁通效应最为突出。大部分冷却流体从针肋上方高速流过，底部针肋间隙流速偏低，局部出现低速回流与滞止区。虽然压降较低，但热点底部流量供给不足、流体更新缓慢，削弱对流换热性能。雷诺数升高后惯性力会驱使少量流体进入底部针肋区，低速区有所收缩，但整体旁通主导的流场模式并未发生本质改变。

综上，针肋高度决定流场模式与阻力水平；针肋数量仅起到次要调节作用。APFMC-3 的分层绕流流场兼顾热点扰动强化与阻力控制，综合性能最优。

图 6. Re = 240, y = 0.7 mm时中心截面速度云图及热点区域放大视图：(a) TSMC；(b) APFMC-1；(c) APFMC-3；(d) APFMC-5。

图 7. Re = 800, y = 0.7 mm时中心截面速度云图及热点区域放大视图：(a) TSMC；(b) APFMC-1；(c) APFMC-3；(d) APFMC-5。

图 8 对比了Re = 800工况下，APFMC-3 与基准 TSMC 在不同热点热流密度300-1600 W/cm²下的基板底面最大温升、总热阻以及基板平均绝对温度偏差。对于传统光滑微通道 TSMC，热边界层无法被主动破坏，随着热点热流升高，换热能力趋于饱和，热点温度急剧上升。APFMC-3 由拱形针肋产生的底部扰动流场由几何结构与雷诺数决定，受热流密度变化的影响较小；随着热流密度增大，二者之间的温升差距不断拉大。随热流密度提升，两种散热器的总热阻均出现小幅上升；但得益于拱形针肋带来的流动扰动，APFMC-3 的总热阻在全部热流范围内始终低于 TSMC。在温度均匀性方面，TSMC 无局部换热强化手段，热流增大时热点与背景区温差显著扩大；APFMC-3 提升了热点区域对流换热系数，温度非均匀程度更低，且随热流升高其均匀性的增长速率更平缓。在热点热流密度800 W/cm²工况下，APFMC-3 可将热点最高温度控制在 366.1 K，低于硅基芯片 373 K 的安全阈值，而 TSMC 热点温度达到 380.1 K。即便热流进一步提升至1200 W/cm²、1600 W/cm²的极端工况，APFMC-3 依旧保持明显的控温优势。上述结果证明分层绕流拱形针肋的换热强化机制在较宽热载荷区间具备良好鲁棒性，能够适配高功率芯片热负荷波动的实际工作条件。

图 8. Re = 800以及不同热点热流密度下 APFMC-3 与 TSMC 的性能对比：(a) 基板底面最大温升ΔT_max,bs；(b) 热阻R_th；(c) 基板底面平均绝对温度偏差δ_T,bs。

图 9 展示两种结构的基板最高温度与高温区域范围均随热流密度升高而不断扩大。TSMC 光滑微通道缺少对流扰动，热边界层持续发展，热量容易在热点位置堆积，高温核心区集中在热点中心，并且随热流增大向外快速扩张，基板温度梯度陡峭。APFMC-3 依靠热点区域拱形针肋形成的分层绕流，持续破坏基板附近热边界层，强化热点位置流体掺混，在各个热流工况下，其高温区面积、峰值温度均明显小于 TSMC。在800 W/cm²典型高热流工况下，APFMC-3 热点最高温度维持在 373 K 安全限值以内；当热流继续升高至1200 W/cm²、1600 W/cm²，虽然 APFMC3 的热点温度同样上升，但与 TSMC 之间的温差进一步拉大，控温优势更加突出。云图直观说明，该拱形针肋结构的换热强化机制在宽热流区间内稳定有效，能够有效抑制高热流下热点急剧温升。

图 9. Re = 800，热点热流密度300-1600 W/cm²工况下，APFMC-3 与 TSMC 的基板底面温度变化云图。

图 10 展示了Re = 240-800范围内，APFMC1至APFMC6 以及基准 TSMC 的能量效率指标Q_total/P_total和性能系数 COP，用于综合评价换热收益与泵耗代价的匹配关系。TSMC 光滑微通道虽然泵耗最低，但换热能力偏弱；全高针肋 APFMC-1、APFMC-1 换热提升幅度最大，然而流动阻力急剧增加，泵耗涨幅过高，因此综合能量效率与 COP 偏低。矮针肋构型 APFMC-5、APFMC-6 受流体旁通效应影响，换热强化效果不足，综合性能不佳，在部分低雷诺数工况下甚至劣于 TSMC。APFMC-3（针肋高度 0.7 mm、48 根拱形针肋）依托分层绕流机制，在获得可观换热增益的同时有效抑制压降上升，在全部雷诺数区间内均拥有最优的 COP 与Q_total/P_total。这说明该构型实现了换热强化与流动功耗之间的良好权衡，具备更优异的热水力综合性能，是本文参数范围内能量效率最优的设计方案。

图 10. Re = 240‑800 条件下，APFMC‑1至APFMC‑6 与 TSMC 的能量效率特性：(a) 总散热量与总泵耗功率之比 (Q_total/P_total)；(b) 性能系数 COP。

结论：

针对高功率芯片的局部热点冷却难题，本文提出一种仅在热点区域布置拱形针肋的微通道散热器（APFMC）。在不同雷诺数和热点热流密度工况下开展三维共轭传热数值模拟，研究针肋高度与数量对热水力性能的影响，并结合温度场与速度场解析内在作用机理，主要结论如下：

(1) 针肋高度是决定散热器热水力性能的主导参数。1.0 mm 全高针肋可产生强烈的流体扰动，换热强化效果显著；在Re = 800条件下，相较于基准光滑微通道散热器（TSMC），其最高温度降低 14.2 K，但压降急剧升高，达到基准模型的 1.79 倍。0.4 mm 矮针肋极易引发流体旁通效应，造成底部热点区域流量供给不足；在Re = 80-640范围内其换热性能甚至弱于光滑微通道，工程应用受到限制。与之相比，0.7 mm 针肋形成基底扰动 + 顶部旁通流的分层流场，在换热能力与流动阻力之间实现优异权衡。当Re = 800时，APFMC3 构型可使热点最高温度下降 8.6 K，压降仅增大 13.77%，泵耗功率仅提升 13.75%。

(2) 针肋数量属于次要调控参数，其性能调节效果依赖于针肋高度。针肋高度不变时，将针肋数量由 48 根减少至 36 根，压降与泵耗功率降幅均不足 7.4%，其调控作用远小于针肋高度改变带来的流动特性变化。

(3) 在本文研究参数范围内，APFMC-3（针肋高度 0.7 mm，共 48 个拱形针肋）被证实为最优构型。当Re = 800、热点热流密度为800W/cm²时，其热点最高温度可控制在 366.1 K，低于芯片 373 K 的安全温度阈值；而传统光滑微通道的热点温度可达 380.1 K。且随着热流密度增大，该结构的散热优势进一步凸显。

(4) 局部热点微通道冷却的核心在于实现换热强化与流动能耗之间的最优平衡。得益于分层绕流作用机制，0.7 mm 拱形针肋既能够产生有效的近壁流体扰动，强化换热、抑制热点温升，又可以避免压降过度增大。该构型可为高功率芯片局部热点的低能耗热管理提供可行的设计参考。

综上，本文对该新型结构的分析结果可为热设计工程师提供设计参考。相较于传统面向非均匀热点的微通道散热器，这种仅在局部热点区域布置拱形针肋的设计方案，能够实现微电子器件更为高效的冷却效果。

本文信息

Kaihua Zhang, Yi Wang, Kunyan Wang, Bilin Dong, and Xiaohu Wu. Thermal-hydraulic performance of an arched pin-fin microchannel heat sink for local hotspot management: Synergistic effects of pin-fin height and number. International Communications in Heat and Mass Transfer 181 (2026) 113015.