广东工业大学黄光汉 Applied Thermal Engineering：玻璃基三维波浪矩形双层结构微通道的流动沸腾性能及可视化研究

研究背景：

随着人工智能与高性能计算（HPC）的快速发展，芯片性能需求持续攀升，集成度大幅提高导致极高发热率，严重威胁芯片可靠性。双面冷却可从芯片两侧同时散热，有效降低厚度方向热阻，是三维堆叠芯片的重要热管理策略。玻璃凭借优异的表面平整度、热力学稳定性和低介电损耗，正逐步取代传统有机基材成为下一代封装基板的主流选择。然而，玻璃热导率较低，热量难以从一侧传递至另一侧，给双面冷却带来挑战。在基板中嵌入微通道可实现近源冷却，是克服该瓶颈的有效途径。为进一步提升散热性能，本文提出三维波浪-矩形双层微通道结构，该结构在二维波浪形通道基础上引入垂直堆叠层，可同时促进层间水平与垂直混合，有望改善因玻璃低热导率导致的侧向导热不足，并利用波浪形与矩形微通道交叉处破碎气泡以增强两相流动稳定性。

本研究在玻璃基板上制备了三维波浪-矩形双层微通道结构，并以矩形双层微通道作为对照组。以电子氟化液HFE-7100为工质，开展了流动沸腾实验，以表征不同质量流速下的沸腾传热性能，并对气泡行为进行了可视化观察。深入分析了玻璃基微通道中特有的气泡成核特性及其强化流动沸腾机理。此外，还对该结构的两相流压降进行了表征。本研究的动机在于表征玻璃基微通道的两相传热性能，揭示双层波浪结构的流动沸腾强化机理，并为在玻璃基板两侧嵌入微通道以实现双面冷却的应用提供数据支持。最后，为评估嵌入式玻璃基微通道在玻璃基板堆叠芯片系统中的热性能，开展了数值模拟，以评估将嵌入式玻璃基微通道与外部散热器相结合的双面冷却方案，并将该方法与单面冷却和非嵌入式双面冷却进行对比，以验证所提出设计的优越性。

目前，该文以“Flow boiling performance and visualization study of glass-based microchannels with three-dimensional wavy- rectangular dual-layer structures”为题在《Applied Thermal Engineering》上发表。文章第一作者为广东工业大学黄光汉。

研究结论：

本文研究结论可以概括为以下的几点：1. 在质量流速 G=391 kg/(m2-s) 条件下，矩形双层微通道（RDMC）结构玻璃微通道的传热系数（HTC）和临界热流密度（CHF）分别位于 6695～7192 W/(m²·K) 和 7.74～20.16 W/cm² 范围内。此外，玻璃的低热导率导致侧壁气泡成核延迟现象，凸显了在玻璃基板上进行结构强化的必要性。2. 三维波浪-矩形双层微通道（WRDMC）结构能够有效增强低热导率玻璃基微通道的传热性能。与RDMC相比，WRDMC的传热系数和临界热流密度分别最高提升 22.35% 和 14.75%，同时两相压降降低 7.3%～11.4%。在 G=651 kg/(m2-s) 条件下，WRDMC 达到的最大传热系数为 11,227 W/(m²·K)。3. WRDMC增强两相传热的机理包括：三维结构引起的局部扰动增加了气泡脱离频率，以及波浪层与矩形层界面处的剪切力使大气泡分裂，从而缓解气塞现象。4.与常规单面冷却相比，所提出的玻璃基板嵌入式微通道双面冷却方案可实现高达 29.31% 的向下热流比例。在热流密度为 75 W/cm² 时，该方法使芯片最高温度降低 15.1℃，热阻降低 32%。 

研究数据：

 图1 测试芯片结构及工质流动示意图：(a)RDMC与WRDMC芯片的组件及爆炸视图；(b)WRDMC的俯视图与剖视图；(c)RDMC和WRDMC内的工质流动路径

图2 两种微通道结构的几何尺寸

图3 WRDMC底层大气泡的受力分析与剪切作用机理 

图4 测试芯片制备流程及实物图：(a)测试芯片激光感应热压制备工艺；(b)不同结构测试芯片实物图 

图5 激光加工玻璃波浪矩形微通道：(a)光学显微镜下观测的微通道结构形貌；(b)光滑底面及(c)-(d)不同放大倍数下激光刻蚀侧壁结构的扫描电镜图像

 图6 WRDMC结构三处不同位置的截面：上层波浪层与下层矩形层分别为(a)对齐排布、(b)交错排布、(c)完全分离排布

 图7 流动沸腾传热可视化测试系统示意图

 图8 测试系统实物图

 图9 微通道测试模块示意图：(a)测试模块爆炸视图；(b)测试芯片与(c)加热块的结构设计细节

图10 玻璃基底三维堆叠芯片三种冷却方式对比分析：(a)传统单面冷却；(b)非嵌入式双侧热管冷却；(c)顶部集成热管的基底嵌入式微通道双侧冷却；(d)三种冷却方式的网格排布形式

图11 微通道内测温点分布示意图

图 12 以 HFE-7100 为工质时，玻璃与其他材质微通道的换热系数对比

图13 质量通量为391 kg/(m²·s)时玻璃基微通道内侧壁滞后成核沸腾现象：(a)中热通量下仅底面发生成核沸腾；(b)高热通量下出现侧壁滞后成核沸腾；(c)侧壁滞后成核沸腾机理示意图

图14 RDMC与WRDMC流动沸腾实验特性对比：(a)壁温随热通量变化曲线；(b)热通量与过热度关系；(c)换热系数随热通量变化曲线；(d)换热系数随干度变化曲线；(e)总热阻随热通量变化曲线

图15 WRDMC相较于RDMC气泡脱离频率提升效果：(a)两种结构的气泡脱离过程；(b)不同位置下两种结构气泡脱离时间与脱离频率对比

图16 (a)RDMC内汽塞形成过程，(b)WRDMC上层与(c)下层的大气泡破碎现象；(d)WRDMC相较于RDMC的气泡长度缩减情况

图17 RDMC与WRDMC实验压降对比：(a)压降随热通量变化关系；(b)压降随干度变化关系

图18 三种冷却方式基于仿真的综合热性能分析：(a)SHPC、NDC、EDSC三种结构整体温度云图对比；(b)三种方式芯片最高温度对比；(c)芯片热通量分布及向基底侧分流的向下热损失占比；(d)三种方式下芯片与工质之间的热阻

期刊：Applied Thermal Engineering

题目:Flow boiling performance and visualization study of glass-based microchannels with three-dimensional wavy- rectangular dual-layer structures

作者：Guanghan Huang, Kunjie Yang, Wenjie Miao, Zihao Zheng, Bin Zeng, Chengqiang Cui, Yu Zhang, Ping Li, Guannan Yang, Jianhua Xiang

DOI：10.1016/j.applthermaleng.2026.132251