天津理工大学张明宽SCTS：针对高热流异质热源液态金属相变热沉的拓扑优化

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关键词

#液态金属，#拓扑优化，#异质热源，#相变材料，#热沉设计，#热管理

原文信息

Zhang C, Gong J W, Tong Z T, et al. Topology optimization of liquid metal phase change heat sink for high heat flux heterogeneous heat source cooling. Sci China Tech Sci, 2026, 69(5): 1500106, https://doi.org/10.1007/s11431-025-3141-1 

研究内容

随着集成电路技术迈向更高集成度与算力，芯片内多功能模块的并行运作导致了功率密度的显著提升与热流分布的高度非均匀性，由此引发的“热障”问题已成为制约高性能计算、人工智能芯片等前沿技术发展的关键瓶颈。开发能够针对异质热源进行高效、精准热管理的先进散热技术，具有至关重要的科学与工程意义。

传统翅片就像一块平整的“暖气片”，散热效率有限。为了解决这一难题，天津理工大学热能工程系的研究团队带来了一项融合了仿生设计与黑科技材料的创新解决方案。

本文创新点

创新点一：会“相变”的液态金属

采用液态金属作为相变材料。它平时是固体，能够吸收大量热量；当芯片温度升高时，它会融化成液体，在这个过程中能像冰块融化一样，高效地吸收热量，为芯片强力降温；当芯片冷却后，它又能变回固体，循环使用。

创新点二：会“思考”的拓扑优化结构

利用拓扑优化技术，为热沉设计出了独特的仿生翅片结构。根据热源的分布，“长”出最合理的“树枝”或“根系”的翅片结构。

图1 两种拓扑优化相变热沉

将这优化后的热沉与常规的热沉进行了对比测试，结果非常显著：

降温更狠：在芯片高强度工作100秒时，优化后的热沉能将芯片的最高温度降低15.2°C。

续航更久：在相同的温控安全线下，芯片的有效工作时间延长了122.7%，相当于续航能力翻倍还多！

图2 三种热沉温度随时间变化规律，注：Case0为常规热沉，Case 1为图1左 Case14为图1右

本文核心发现

核心发现1：热沉的“树枝”怎么分叉，是由芯片上“热区”的火力对比决定的！

研究表明，翅片的分支比例与热源的热流比例呈正相关。简单来说，哪里更热，热沉的“根系”就会朝着哪里生长得更茂盛。

图3 不同热流比下肋分支体积占比规律

核心发现2：不同形状的热沉有各自的舒适圈

对比不同策略的拓扑优化肋结构发现：集中分布于热源附近的散热器翅片结构在处理瞬态高热负荷时优势显著，而具有全局延伸翅片结构的散热器则能加速整个相变循环过程，提升吸热效率，实现更优的持续散热性能。

表1 不同优化策略的肋结构演变规律