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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)持續(xù)向三維異構(gòu)集成發(fā)展的背景下，芯片級熱管理已成為制約微系統(tǒng)性能與可靠性的核心挑戰(zhàn)。尤其在人工智能、高性能計(jì)算等前沿領(lǐng)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(diǎn)"效應(yīng)。傳統(tǒng)的均勻冷卻方案難以應(yīng)對這種非均勻熱負(fù)載，往往導(dǎo)致低功耗區(qū)域過度冷卻而熱點(diǎn)散熱不足，嚴(yán)重影響系統(tǒng)穩(wěn)定性與能效。

為解決這一難題，射流沖擊冷卻技術(shù)因其卓越的局部換熱能力而備受關(guān)注；同時，硅通孔（TSV）技術(shù)為三維集成提供了垂直互連與熱管理路徑。然而，現(xiàn)有的TSV增強(qiáng)型射流沖擊散熱結(jié)構(gòu)多為固定幾何形式，缺乏根據(jù)芯片實(shí)時熱狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)的智能響應(yīng)能力。智能響應(yīng)材料與自適應(yīng)冷卻機(jī)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(yīng)的體積相變特性，可作為微型執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)流道的智能調(diào)控。但現(xiàn)有研究多局限于傳統(tǒng)平面微通道內(nèi)的集成應(yīng)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(jìn)行創(chuàng)新性融合。

為此，本研究提出了一種水凝膠增強(qiáng)的自適應(yīng)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(gòu)建出能夠?qū)崟r感知并響應(yīng)熱點(diǎn)溫度變化的智能熱管理系統(tǒng)。

Part.2

研究目標(biāo)與創(chuàng)新點(diǎn)

本文在前期射流沖擊冷卻與TSV熱管理研究基礎(chǔ)上，開展了系統(tǒng)級、多物理場耦合的數(shù)值分析，核心目標(biāo)包括：

1、 構(gòu)建熱-流-固耦合的自適應(yīng)散熱數(shù)值模型框架

2、分析水凝膠智能閥門在動態(tài)熱負(fù)載下的響應(yīng)機(jī)理與調(diào)控規(guī)律

3、定量評估自適應(yīng)散熱器在不同功率密度下的綜合熱性能

4、為自適應(yīng)散熱器在三維集成系統(tǒng)中的應(yīng)用提供設(shè)計(jì)與優(yōu)化依據(jù)

自適應(yīng)沖擊散熱器封裝模型

本研究提出的AJIHS核心由三部分構(gòu)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(jié)構(gòu)。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(diào)節(jié)"的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖1 自適應(yīng)射流沖擊散熱器（AJIHS）封裝結(jié)構(gòu)

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

凝膠熱響應(yīng)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(guī)律。通過引入熱膨脹參數(shù)α建立水凝膠幾何尺寸與溫度的數(shù)學(xué)關(guān)系：

圖3 (a)熱膨脹參數(shù)作為溫度的函數(shù)；(b)AJIHS自適應(yīng)結(jié)構(gòu)在最大和最小高度的變形示意圖

如圖3所示，當(dāng)溫度超過閾值時減小，導(dǎo)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(zhǔn)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(yīng)仿真提供了關(guān)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(shí)現(xiàn)“水凝膠-TSV-射流入口”三位一體自適應(yīng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵前提。水凝膠需要牢固地附著在一個高導(dǎo)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(yīng)離子刻蝕通孔、物理氣相沉積銅層、自下而上電鍍填銅、化學(xué)機(jī)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(xué)機(jī)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(shè)置

本文模型側(cè)面為對稱邊界，所有壁面為無滑移條件。冷卻水設(shè)定為固定流速層流。底部熱源采用關(guān)鍵的非均勻熱流邊界。其余表面設(shè)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(shù)提取

本研究定義了四個核心性能參數(shù)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(kuò)散阻力。這四個指標(biāo)從極限溫控、傳熱效率、溫度分布和熱量擴(kuò)散四個維度，構(gòu)建了完整的散熱性能評價體系。

圖7 由溫度定義的熱阻網(wǎng)絡(luò)，包括擴(kuò)散阻力、一維傳導(dǎo)阻力和對流阻力

網(wǎng)格獨(dú)立性分析與數(shù)值結(jié)果驗(yàn)證

為確保后續(xù)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性，本研究首先通過網(wǎng)格獨(dú)立性分析確定計(jì)算精度。其次，將仿真結(jié)果與三組已發(fā)表的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉驗(yàn)證。

圖8 散熱器 (a)峰值溫度和 (b)壓降與網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)的網(wǎng)格敏感性測試

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

圖10 不同模型對應(yīng)的溫度和壓降結(jié)果的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的對比

仿真方法

本研究采用COMSOL Multiphysics與MATLAB聯(lián)合仿真策略，實(shí)現(xiàn)水凝膠變形與流體換熱的雙向耦合計(jì)算。

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

自適應(yīng)動態(tài)特性分析

圖12 使用不同導(dǎo)熱系數(shù)的水凝膠的AJIHS對應(yīng)的最大芯片溫度和散熱器壓降

圖12分析了水凝膠導(dǎo)熱系數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。在0.3-2.0 W/(m·K)的典型范圍內(nèi)，導(dǎo)熱系數(shù)的變化對芯片最高溫度和系統(tǒng)壓降的影響微乎其微。這表明水凝膠在該系統(tǒng)中主要發(fā)揮溫度驅(qū)動機(jī)械執(zhí)行器的功能，通過體積變形調(diào)節(jié)流量，而非作為主要導(dǎo)熱路徑。系統(tǒng)散熱性能主要由后續(xù)的射流沖擊換熱和銅柱導(dǎo)熱主導(dǎo)。

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(qū)域峰值溫度和出口與入口之間的壓降隨迭代次數(shù)的變化

圖13展示了自適應(yīng)散熱器的動態(tài)響應(yīng)過程。圖13 (a)中水凝膠半徑隨迭代呈現(xiàn)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(yīng)。圖13 (c)圖揭示了芯片最高溫度與系統(tǒng)壓降的耦合振蕩關(guān)系。水凝膠通過感知溫度變化不斷調(diào)節(jié)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(fù)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(nèi)部流場的自適應(yīng)變化。水凝膠通過溫度控制的收縮與回彈，智能調(diào)節(jié)入口開度，使流場在“無流/弱渦流”與“垂直強(qiáng)射流”兩種模式間切換。這種流場模式的主動調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了冷卻強(qiáng)度與熱負(fù)載的實(shí)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(yīng)散熱器的熱調(diào)控機(jī)理。溫度驅(qū)動水凝膠變形，智能切換散熱模式：阻塞時依賴固體導(dǎo)熱，開啟后轉(zhuǎn)為射流沖擊對流。這種動態(tài)切換使系統(tǒng)能在熱量積累與高效冷卻間自主循環(huán)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)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(yīng)變化。水凝膠的變形直接調(diào)控了流道形態(tài)與壓力分布：阻塞時壓力集中于入口；開啟后高壓區(qū)下移，并在強(qiáng)射流區(qū)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(shí)現(xiàn)智能冷卻時流體阻力動態(tài)調(diào)整的直觀體現(xiàn)。

AJIHS性能評估參數(shù)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(yīng)散熱器在三種功率下的溫度與壓降響應(yīng)，所有參數(shù)均呈周期性振蕩。在自適應(yīng)散熱器動態(tài)循環(huán)的工作特性下，提出了一種提取代表性穩(wěn)態(tài)參數(shù)的方法。鑒于芯片溫度在循環(huán)中呈現(xiàn)“峰值-穩(wěn)定平臺-峰值”的規(guī)律，選取穩(wěn)定平臺期的平均溫度作為熱性能評價指標(biāo)。同時，由于壓降周期性波動相對平緩，選用單周期內(nèi)的最大壓降值作為流體阻力評價指標(biāo)。

自適應(yīng)AJIHS與非自適應(yīng)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(kuò)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(yīng)散熱器相比傳統(tǒng)固定結(jié)構(gòu)散熱器的綜合優(yōu)勢。如圖19所示，在300-600 W/cm2的熱流密度范圍內(nèi)，自適應(yīng)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(kuò)散阻力約13%。這表明自適應(yīng)結(jié)構(gòu)能智能分配冷卻資源，精準(zhǔn)強(qiáng)化熱點(diǎn)散熱同時避免背景區(qū)域過冷，從而在復(fù)雜熱負(fù)載下實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的熱管理與更高的系統(tǒng)可靠性。

Part.3

研究總結(jié)

本文對一種集成水凝膠智能閥門與硅通孔技術(shù)的自適應(yīng)射流沖擊散熱器進(jìn)行了多物理場耦合數(shù)值分析，系統(tǒng)研究了自適應(yīng)結(jié)構(gòu)在非均勻熱負(fù)載下的動態(tài)響應(yīng)特性與綜合散熱性能，并與傳統(tǒng)固定結(jié)構(gòu)散熱器進(jìn)行對比，得到以下結(jié)論：

（1）該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)溫度驅(qū)動的閉環(huán)自適應(yīng)控制，在動態(tài)熱負(fù)載下維持芯片熱平衡。

（2）與固定結(jié)構(gòu)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(kuò)散阻力降低13%。

（3）該系統(tǒng)能精準(zhǔn)強(qiáng)化熱點(diǎn)冷卻并避免低功耗區(qū)過冷，有效改善三維集成芯片的熱管理問題。

（4）水凝膠導(dǎo)熱系數(shù)在實(shí)用范圍內(nèi)對性能影響很小，其核心功能是熱機(jī)械響應(yīng)。

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

（6）研究驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的可行性及與現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝的兼容性，為實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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