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微通道冷卻技術背景:英偉達高性能芯片(如H100、B200)在AI訓練與推理中功耗高達700瓦以上,傳統風冷或常規水冷已難以滿足其散熱需求。微通道冷卻通過在封裝或散熱結構內集成微米級通道,讓冷卻液貼近芯片核心熱源,大幅降低熱阻,提高熱流密度處理能力。相比傳統方案,微通道冷卻能更高效地帶走熱量,保障芯片在高負載下持續穩定運行,是應對高密度計算時代熱管理挑戰的重要手段。
1. 為什么要用微通道冷卻?
集成電路,特別是高性能CPU、GPU、AI加速器、ASIC,功耗密度(W/mm2)已經非常高,傳統的風冷、熱管、甚至常規水冷都快頂不住了。
問題的本質:
熱量產生在硅片上某幾個熱點區域,但是散熱路徑長(芯片→封裝→TIM→散熱器→空氣/水)。
每一層界面(比如TIM、焊料、封裝材料)都會增加熱阻,使得芯片溫度升高。
單純靠“加大水冷塊體積”或“增加風扇”效果有限,尤其在1kW級別以上散熱需求時,傳統方案無法滿足。
于是,微通道冷卻被提出——它的核心思路是:
把冷卻液直接引入離熱源最近的位置,通過在芯片或封裝上蝕刻微米級的冷卻通道,讓液體在微通道里流動,直接帶走熱量。
2. 微通道冷卻的結構是怎樣的?
可以這么理解:
在芯片頂部或封裝蓋板上,做出一組寬度幾十~幾百微米、深度幾十到幾百微米的流道(想象成一組非常細的“水渠”)。
這些微通道內部讓冷卻液(水、冷卻油、甚至氟化液)流過,直接沖刷發熱區域。
上方會有一個金屬蓋板(常用銅、不銹鋼)封住微通道,形成一個密閉的“冷板”。
冷卻液通過進出口直接與外部循環系統連接,實現高效換熱。
可以類比:傳統水冷是在散熱器上繞水管,而微通道冷卻是把“水管”直接做到芯片表面,熱源和冷卻劑的接觸距離大大縮短。

3. 為什么效率高?
關鍵點:縮短了導熱路徑 + 增加了換熱面積。
短路徑:傳統結構中,熱要經過硅片、TIM、IHS(封裝蓋)、導熱膠/焊料、冷板,熱阻很大;微通道直接把冷卻劑放在芯片或封裝上,減少中間環節。
大面積:微通道可以設計得非常密集(比如100個通道并行),液體接觸面積遠超傳統平板換熱器,強化了對流換熱。
高流速:通道很窄,液體流動時雷諾數增加,湍流換熱更充分。
實驗數據顯示,傳統冷板換熱系數是幾千W/(m2·K),微通道能做到上萬甚至更高。

4. 還能做到“兩相冷卻”(液-氣共存)
如果僅靠液體升溫(顯熱),單位體積吸熱能力有限。
水在20℃→80℃加熱,吸熱量≈250 kJ/kg;
但如果讓水在通道里沸騰(液-氣兩相),則汽化潛熱≈2250 kJ/kg,吸熱能力提升了約7倍。
這就是為什么很多研究把微通道冷卻+相變(沸騰冷卻)結合,直接在通道內控制液體部分汽化,以極大提高散熱能力。
難點:
如何控制氣泡生成位置和大小,避免阻塞通道?
如何設計合適的流量和壓力,防止局部干涸(dry-out)?
如何保證系統長期可靠(防腐蝕、防沉積)?
5. 實際應用與挑戰
應用方向:
高性能CPU/GPU:英特爾的實驗性原型機已經把微通道冷卻集成在封裝上,散熱能力突破1kW。
AI芯片/ASIC:數據中心級芯片對散熱要求極高,傳統液冷難以滿足,微通道是熱門方向。
功率器件:如IGBT、激光器、射頻放大器,也有采用微通道方案。
工程挑戰:
制造工藝復雜:微通道需要精密蝕刻或微銑削,成本和良率要控制。
液體密封與可靠性:微通道很細,堵塞和泄漏風險高。
維護困難:一旦通道堵塞或腐蝕,很難修復。
系統集成:需要和泵、管路、冷卻液管理系統一體化設計。
6. 一句話總結
微通道冷卻,就是把“冷卻液管道”做到離芯片最近的地方,用微米級通道大幅提升傳熱能力,甚至引入沸騰換熱,實現更高的散熱極限。
它能讓高性能芯片在極端功耗下保持穩定,但設計和制造門檻很高,需要封裝、流體、材料多學科協同。
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