01.微通道液冷簡介微通道液冷是一種利用具有數百微米到數毫米尺度流道的散熱結構，將冷卻液直接引導到發熱晶片（CPU、GPU、FPAG，ASIC 等）表面附近，通過液體的高導熱與高比熱特性高效帶走熱量的技術。02.微通道液冷引起國際巨頭熱議在2024年IEEE ECTC會議上，一篇題為“邁向基於微通道的晶片冷卻”的引人注目的技術論文被發表。這篇論文的價值不僅在於其技術深度，還在於其作者來自SEMI、KLA、EVG、Meta、台積電、惠普、Google和日月光等全球領先機構。台積電在 IEEE ECTC 2024 上展示了其“矽整合微冷卻器” ，展示了利用 MEMS/DRIE 技術直接蝕刻到有源晶片背面的晶圓級微通道。這些通道與 CoWoS 封裝和中介層整合，可支援高達2.6 kW 的熱通量，同時保持 ΔT ≈ 63 °C。正在進行的研究包括溝槽、柱狀和平面微通道變體，其中基於柱狀的結構表現出最佳性能。03.微通道冷卻的優勢和挑戰隨著人工智慧和高性能計算 (HPC) 的快速發展，晶片功率密度和封裝複雜性不斷提升，傳統冷卻方法已達到極限。當表面熱通量超過300 W/cm²時，風冷和傳統冷卻板等解決方案已不再適用。為此，業界正在轉向更高效的局部熱管理策略，其中基於微通道的液冷已成為領先的下一代解決方案。為何採用微通道冷卻？傳統的冷卻技術，例如散熱器、熱管和冷板，已經成熟並廣泛應用於桌上型電腦和伺服器。然而，在 NVIDIA 的 B100、Cerebras 的 WSE 或 AMD 的 MI300 等高功率 AI 晶片中，不均勻的熱點可能會導致熱節流、性能下降甚至物理故障。微通道冷卻具有以下幾個關鍵優勢：靠近熱源：微通道可以直接整合到晶片表面或 3D 堆疊中的晶片間層中，從而最大限度地降低熱阻。高對流傳熱係數：微尺度通道促進從層流到湍流的轉變，顯著提高熱性能。模組化設計：可以定製通道幾何形狀和分佈以與熱點位置保持一致。適應高熱通量：單相和雙相液體冷卻方法均允許微通道支援幾百 W/cm² 的熱通量。微通道幾何形狀和封裝挑戰微通道的幾何形狀（矩形、圓形、鋸齒形）和尺寸（寬度、深度、間距）會影響熱阻、壓降和流動均勻性。關鍵的封裝挑戰包括：管理矽和金屬冷卻結構之間的熱介面平衡壓降並確保流體分佈均勻設計與先進封裝相容的介面（例如2.5D/3D IC、HBM）確保材料可靠性並減輕包裝引起的機械應力本文強調了薄的高導熱矽層與低電阻 TIM 和整合接頭相結合的價值，以提高封裝限制內整體冷卻模組的可行性。實驗驗證和性能結果來自各種微通道配置的熱性能和流體性能資料顯示：微通道冷卻可有效維持晶片熱點溫度低於70°C實現熱阻低於0.1K·cm²/W ，性能優於傳統冷卻數倍增加通道數量可以降低每個通道的壓降，但代價是增加流量分配和封裝複雜性。微通道液冷的挑戰儘管微通道冷卻具有諸多優點，但它也面臨一些侷限性：流體分佈不均勻和熱點管理：在並聯微通道配置中，不合適的歧管設計（例如 U/I/Z 型）會導致局部熱點流動不均勻和冷卻不足。加入奈米流體或許可以改善熱均勻性，但會增加流體管理系統的複雜性。封裝整合和結構可靠性：將冷卻通道與晶片封裝相結合，必須考慮CTE失配、機械應力和封裝應變。TIM通道、矽片和金屬層之間的熱介面也會消耗部分熱預算，有時甚至超過30%。兩相冷卻的複雜性：雖然兩相冷卻（沸騰）具有出色的傳熱效率，但它帶來了設計複雜性工程師必須管理沸騰壓力、冷凝回收，並避免乾涸（冷卻劑失去接觸）。04.微通道冷卻的一些產業化進展台積電ECT2025最新技術披露：晶片直接液冷2025台積電展示了CoWos-R最新的熱管理的研究進展，主要討論了兩部分內容：（1）對比了三種不同的TIM1在CoWos-R的熱管理性能；（2）介紹了一種名為矽整合微冷卻器（IMEC-Si）的液冷架構。在本研究中採用三種先進 TIM 的 CoWoS-R 熱測試載體（TTV），包括：（1）石墨薄膜 TIM；（2）液態金屬凝膠 TIM；（3）銦金屬 TIM。為進一步提升金屬 TIM封裝的熱性能，設計了具備衝擊結構的新型液冷系統，以應對超過 2000W 的熱功率輸入。tsmc該方案利用先進的矽製造技術，在有源矽晶片的背面直接製造矽微柱陣列，以實現直接液體冷卻。他們研究了微柱的幾何形狀和流動條件，並成功證明：使用 40°C 的水作為冷卻劑，IMC-Si能夠在接近全晶圓尺寸的晶片上耗散2000瓦的均勻熱量，且系統能耗極低，小於 10 瓦。整合液體歧管以實現直接液體冷卻的 CoWoS-R 封裝示意圖（圖源：IEEE ECTC）為了展示 IMC- Si與台積電用於高性能計算（HPC）應用的 3D Fabric™平台的整合能力，該解決方案被整合到 3.3 倍晶圓尺寸的 CoWoS-R熱測試載體（TTV）平台上。已開發出一種 CoWoS組裝工藝，通過應用密封劑來實現液體入口/出口歧管的組裝。針對組裝流程中不同溫度導致的CoWoS- R封裝翹曲變化，對密封劑的機械可靠性進行了測試。同時，還在嚴苛的壓力條件下對密封劑進行測試，以確保無洩漏。台積電還證明在允許結溫（Tj）上升 60°C（合理流量下晶圓入口溫度為 20°C）的情況下，IMC-Si可實現超過 3000 瓦的散熱能力JetCool——將實驗室理念推向工程化的代表企業JetCool 是美國馬薩諸塞州的創新冷卻企業，成立之初即以“打破傳統冷卻範式”為目標，其研發路徑與EPFL提出的晶片微通道冷卻有著高度的技術理念共振。但不同的是，JetCool 改採用的微噴射冷卻陣列，則更像是從系統端最佳化的“軟著陸”版本——實現了類似的熱阻極限突破，但更容易嵌入到現有產業鏈之中。JetCool的核心理念是微尺度噴射冷卻（Microconvective Cooling）。其冷卻模組由密佈微噴嘴的金屬板構成，這些噴嘴以幾十微米的尺寸，能夠將冷卻液以高速精準噴射至晶片表面最熱區域，隨後迅速帶走熱量。本段整理來自-洞見熱管理05.未來發展和系統級整合與傳統散熱技術相比，不論是散熱能力還是整合發展，微通道散熱結構均有著較強的優勢。對微通道結構進行最佳化設計是提高微通道散熱結構綜合散熱性能的主要手段。微通道冷卻在三維積體電路、先進封裝和晶片內流體通道中的未來應用。隨著人工智慧晶片從平面架構演進到垂直堆疊和異構整合架構，冷卻技術必須與晶片設計同步演進，以應對兆瓦級計算模組的散熱挑戰。微通道冷卻已不再僅僅是學術研究的課題，它正在成為下一代人工智慧封裝的核心推動力。通過結合材料科學、流體力學和半導體封裝領域的進步，這項技術正在迅速轉化為工業應用，為支援人工智慧計算的基礎設施帶來革命性的冷卻能力飛躍。 (零氪1+1)
