Applied Thermal Engineering：面向多芯片散热的3D打印微通道冷板拓扑优化与实验研究

摘要

随着人工智能、航空航天和电动汽车等领域的发展，多芯片模块的散热需求日益突出。其内部热源分布不均，易产生局部热点、芯片间温差过大和泵送功耗偏高等问题，而传统平行流道或S形流道难以同时兼顾均温性能与低流动阻力。针对这一问题，研究团队提出了一种面向多芯片非均匀热源的3D打印湍流拓扑优化微通道液冷板。采用数值分析与实验方法，系统研究了多芯片空间分布及非均匀发热功率对拓扑优化微通道冷板性能的调控机制。同时提出无量纲参数D^*，用于描述多个热源的间距分布。结果表明，采用“2-3-4”构型（D^*=1.5）的拓扑优化冷板具有最佳热流性能。与平行流道相比，该优化冷板的最高温度降低了1.57 ℃。此外，与平行流道和S形流道相比，其最大温差分别降低了5.94 ℃和1.81 ℃，相应的压降分别降低了35%和87.1%。同时，优化冷板的综合性能评价指标最高提升62%，显著优于传统设计。本研究构建了一套从微通道冷板拓扑优化设计到3D打印制造的数值与实验分析方案，可为多芯片热管理系统的设计提供技术支持。

本文亮点：

提出一种基于湍流拓扑优化的3D打印微通道冷板，并建立了涵盖拓扑优化、三维CFD分析、金属3D打印和实验验证的完整研究流程。

引入无量纲间距参数D^* 表征多热源的空间分布，揭示了芯片间距和布局方式对冷板热流性能的影响规律。其中，D^*=1.5 的“2-3-4”前疏后密布局表现出最佳综合性能。

拓扑优化冷板实现了均温性能与流动阻力的协同改善，综合性能评价指标PEC最高提升62%。

研究背景

多芯片模块热流密度持续攀升，先进芯片热流密度已超过500 W/cm²，局部热点甚至可超过1000 W/cm²。多个芯片在有限空间内紧密集成，容易形成显著热应力和热点，影响器件稳定性与寿命。

传统规则流道难以匹配非均匀热源，平行流道容易出现中部流量集中、侧向流动不足；S形流道虽可改善温度均匀性，却因流路过长和弯折较多带来较大的压降与泵功负担。

拓扑优化具备“按需长出流道”的潜力：拓扑优化可以在给定设计域内自动生成主支路与旁路网络，使冷却液更贴合热点分布。但既有研究常采用层流假设，且对多热源间距、排列方式与实际增材制造验证的系统研究仍显不足。

图文导读

团队面向非均匀多芯片热源的高效散热需求，提出了一种基于k–ε湍流模型的微通道冷板拓扑优化方法，建立了从二维拓扑优化设计、三维CFD评估、金属3D打印到实验验证的完整研究流程。研究重点考察热源间距和布局方式对流道演化、冷却液分配及热流性能的影响，为复杂多芯片系统的冷板设计提供了可量化、可制造的技术方案。

（1）多芯片液冷板物理模型与拓扑优化过程

图1展示了多芯片微通道液冷板的物理模型与拓扑优化设计域。冷板包含入口、出口和九个离散热源区域，冷却液由入口进入后在流道内完成热量交换。为降低计算成本，研究以流向中心线为对称边界，仅对半域进行优化，再通过镜像获得完整流道结构。

图1 物理模型：(a) 多芯片冷板；(b) 设计域

图2给出了流道从初始密度场向清晰主-次分支网络逐步演化的过程。随着迭代推进，固-液边界不断收敛，流道由分散的局部结构转变为连续且可制造的网络结构；目标函数快速下降并在后期趋于稳定，表明所建立的湍流拓扑优化模型能够在换热能力与进出口压降之间获得稳定解。

图2（a）拓扑优化流道的迭代演化过程；（b）迭代过程中目标函数的变化

（2）3D打印的液冷板与实验平台

图3展示了采用AlSi10Mg材料制造的拓扑优化液冷板和平行直流道液冷板。金属增材制造能够成形传统加工方法难以实现的细小分支和复杂旁路网络。冷板表面加工了九个11 mm×11 mm、深0.5 mm的热源安装槽，并设置热电偶布置槽，以保证热源定位和温度测量的一致性。拓扑优化“2-3-4”流道与传统平行流道采用相同外形尺寸，便于开展公平对比。

图3 采用拓扑优化流道和直流道的3D打印冷板

图4给出了实验系统示意图及实物平台。恒温水浴将65号航空冷却液入口温度稳定在20 ℃，流量计、压力传感器和热电偶分别采集流量、压降及九个热源中心温度，数据通过采集系统传输至计算机。当流量为1.68 L/min时，入口平均速度约为0.7 m/s，该工况也是后续温度场、流场及性能对比的代表性条件。

(a) 

（b）

图4（a）实验原理示意图；（b）实验系统

（3）热源间距对流道形态与热-水力性能的影响

图5对比了D^* = 0.5-3.0时拓扑优化冷板的温度场和速度场。热源间距较小（D^* ≤ 1）时，相邻热源的热场相互叠加，局部热量集中，同时冷却液难以有效分配至各热源周围。热源间距较大（D^* ≥ 2）时，主流道变得过长且分散，冷却液到达下游热源前的流动距离和温升随之增加。D^* = 1.5时，流道既能削弱相邻热源之间的热干扰，又能避免过长的输运路径，形成较为均匀的主-次级旁路网络，并在热源下方维持较高流速。

图5 不同热源间距（D^* = 0.5-3）下拓扑优化冷板的热-水力场

图6进一步比较了入口速度0.5～1.5 m/s范围内不同热源间距的性能。随着入口速度提高，各方案的最高温度、最大温差和平均温差均逐渐下降，但高速区间的降温增益趋缓。D^*=1.5在全部考察流速下均表现出最优或接近最优的换热与均温性能；与D^*=3.0相比，其最高温度降低11.06 ℃，最大温差降低36.5%。与此同时，不同间距方案的压降非常接近，说明D*=1.5的温度优势并非以额外流动阻力为代价。

图6 不同热源间距（D^* = 0.5-3）下拓扑优化冷板的热-水力性能：（a）最高温度；（b）最大温差；（c）平均温差；（d）压降

（4）D^*=1.5拓扑优化液冷板与传统流道的对比

图7展示了D^*=1.5时拓扑优化流道、平行流道和S形流道的温度场与速度场。S形流道在弯折位置出现较高的局部速度梯度，较长流路带来明显的动能损失。平行流道中的冷却液主要集中于中部通道，两侧流速较低，导致下游热量积聚。相比之下，拓扑优化流道通过连续分支和旁路结构主动调整冷却液分配，在抑制热点的同时降低局部流动损失。

图7 拓扑优化冷板（D^* = 1.5）与平行流道及S形流道冷板的热-水力场对比

图8给出了三种流道在不同入口速度下的定量比较。S形流道具有较好的温度均匀性，但压降随流速快速上升。平行流道可在部分工况下降低最高温度，却因流量分配不均而产生较大的芯片间温差。在0.7 m/s时，拓扑优化流道的压降仅为S形流道的13.2%，较平行流道低33.4%。

图8 拓扑优化冷板（D^* = 1.5）与平行流道及S形流道冷板的热-水力性能对比：（a）最高温度；（b）最大温差；（c）平均温差；（d）压降

（5）多芯片布局对冷却液分配与均温性能的影响

图9对比了不同芯片布局下拓扑优化冷板的热-水力性能。结果表明，前疏后密的“2-3-4”布局可使部分低温冷却液绕过上游热源并流向下游区域，同时延缓流体过早汇合，使流量分配更符合下游逐渐增加的散热需求，从而强化下游换热并改善芯片间的温度均匀性。

图9 不同芯片布局下拓扑优化冷板的热-水力场

图10表明，“2-3-4”布局在0.5-1.5 m/s范围内均具有最优的温度均匀性。在0.7 m/s时，与热性能最差的“3-4-2”布局相比，其最高温度和最大温差分别降低1.98 ℃和3.56 ℃，平均温差降低55.2%。相较流动阻力最不利的“4-3-2”布局，其压降低5.81%。该结果说明，前疏后密布局能够在维持合理压降的同时，更均匀地分配各芯片表面的换热能力。

图10 不同芯片布局下拓扑优化冷板的热-水力性能：（a）最高温度；（b）最大温差；（c）平均温差；（d）压降

（6）最优方案的综合性能评价

图11将D^*=1.5、“2-3-4”布局的拓扑优化冷板与平行流道和S形流道进行对比。在0.7 m/s时，与平行流道相比，拓扑优化冷板的最高温度降低1.57 ℃、最大温差降低5.94 ℃、平均温差降低72.7%，压降低35%；与S形流道相比，其最大温差降低1.81 ℃、平均温差降低38.6%，压降低87.1%。结果表明，拓扑优化冷板能够有效避免局部热点和流量分配不均等问题。

图11 采用“2-3-4”布局的拓扑优化冷板与平行流道及S形流道冷板的热-水力性能对比：（a）最高温度；（b）最大温差；（c）平均温差；（d）压降

图12综合比较了不同方案的PEC与芯片平均温差。结果表明，D^*=1.5在均匀热源分布下性能最佳。在非均匀布局中，“3-2-4”的PEC最高，为1.62，但其平均温差达到5.21 ℃。“2-3-4”布局的PEC为1.59，仅比“3-2-4”低1.85%，平均温差却降至2.88 ℃，降低44.7%。因此，D^*=1.5与“2-3-4”前疏后密布局相结合表现出最佳综合性能。

图12 不同热源布局下优化流道的综合性能评价指标（PEC）及芯片平均温度的最大差值

结论与展望

(1)热源间距过小会造成热量聚集，间距过大则会延长主流道并加剧冷却液沿程升温。当D^*=1.5时，冷板的综合性能最佳。采用“2-3-4”布局可进一步强化下游冷却，相较“3-4-2”布局，最高温度和最大温差分别降低1.98 ℃和3.56 ℃。

(2)在入口速度为0.7 m/s时，最优拓扑冷板(D^*=1.5, “2-3-4”布局)相较平行流道冷板，最高温度降低1.57 ℃。相较平行流道和S形流道冷板，其最大温差分别降低5.94 ℃和1.81 ℃，压降分别降低35%和87.1%，实现了均温性能与低流动阻力的同步提升。

(3)拓扑优化冷板在保持良好换热能力的同时显著降低了流动阻力，综合性能评价指标PEC最高提升62%。3D打印样品的实验结果与数值模拟结果吻合良好，验证了所提设计方法和数值模型的可靠性。

作者信息

第一作者/通讯作者

李维平  硕士生导师

重庆邮电大学

邮箱：liwp@cqupt.edu.cn

李维平，博士，讲师，硕士生导师。长期从事高功率电子器件散热、汽液相变输运强化传热、材料界面微纳结构制造及润湿功能改性等研究。曾参与完成国家重点研发计划“商用车高可靠性电力电子集成系统开发-车用多功能IGBT芯片及集成组件开发”（2018YFB0104502），主持重庆市教育委员会等省部级项目及企业横向课题项目4项，获第三届全国博士后创新创业大赛银奖(排名第二)。以第一作者/通讯作者在《Applied Thermal Engineering》、《International Journal of Heat and Mass Transfer》等SCI/EI期刊上发表学术论文十余篇，发明专利2项。

通讯作者

郑建艮 硕士生导师

重庆邮电大学

邮箱：ziqiang.he@foxmail.com

郑建艮，博士，讲师，硕士生导师。从事流体力学多相流、集成电路散热等方面的基础和应用研究，主持国家自然科学基金青年项目、重庆市自然科学基金面上项目、重庆市教育委员会科学技术研究项目等国家及省部级项目5项。近年来，在国际学术TOP期刊《Nature Communications》、《Journal of Colloid and Interface Science》、《Chemical Engineering Journal》、《Physics of Fluids》等发表SCI论文20余篇。担任《Physics of Fluids》等学术期刊审稿人。

通讯作者

房然然 硕士生导师

重庆邮电大学

邮箱：fangrr@cqupt.edu.cn

房然然，博士，教授，博士生导师。超短强激光微纳制造实验室总负责人，光与物质相互作用国际合作联合实验室副主任，美国罗切斯特大学光学中心博士后，国家自然科学基金评审专家，重庆市高等学校青年骨干教师，重庆市留学人员回国创业创新支持计划人选。研究方向：集成电路散热、机器人柔性散热。作为负责人主持了国家自然科学基金、国家科技部和省部级重点项目在内的10余个项目。发表了《Nature Communications》、《Light: Science and Applications》等高水平SCI期刊论文四十余篇，出版学术专著章节2次，在国际会议上作特约报告10余次，获湖北省自然科学奖二等奖。科研成果被德国联邦材料研究与测试研究所首席专家在《Nature》旗下期刊上进行了专题评论，被Science Daily、Eurek Alert、PHYS.ORG等多家国际著名媒体进行了专题报道。

引用格式

Weiping Li*, Xue Wang Linjun He, Chen Yang, Jiangen Zheng*, Shuai Feng, Ziqiang He, Jie Song, Dongyang Li, Ranran Fang*.Topology Optimization and Experimental Study of 3D-Printed Microchannel Cold Plates for Multi-Chip Heat Dissipation.Applied Thermal Engineering, Volume 305 (2026), Article 133011.

https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2026.133011