将微流体集成到封装中的电子器件以实现直接封装冷却

让高性能设备不过热

从电动汽车到数据中心，现代电子设备被推动以更高速度运行并在越来越小的空间内处理更多功率。所有这些功率都会转化为热量，可能缩短元件寿命或迫使设计者降低性能。该研究探讨了一种在保护性封装内部冷却电子元件的新方法，为更凉、更紧凑且更高效的设备提供了可能。

为何现有冷却手段不足

目前，许多高功率电子依赖体积庞大的金属块，称为散热器，通常通过内部通道循环液体来冷却。这些金属块与芯片上产生热量的微小区域保持一定距离。热量必须穿过多层材料，包括称为热界面材料的专用导热膏，才能到达冷却剂。额外的传热距离会增加热阻、浪费能量、需要更多冷却剂并占用宝贵空间。利用微小通道直接冷却芯片表面已成为一种替代方案，但在芯片本体中构建这些通道复杂且难以扩展到大规模生产。

封装内建的冷却系统

研究人员没有在脆弱的芯片上开凿通道，而是将通道置于芯片封装的坚固金属基座中，这是一种电子产品中广泛使用的标准平面封装。一个既能自加热又能自测温度的硅测试芯片被安装在一块薄铜板上。在该铜板下方，团队构建了蛇形微通道网络并向其中注入水。在这种直接封装设计中，冷却剂就在活动芯片表面正下方流动，足够接近以在热量扩散到系统其余部分之前截取热量。这种方法绕过了混乱的界面导热膏，并保持整体结构与诸如焊接和焊线等既有装配步骤兼容。

冷却效果到底有多好

团队比较了三种配置：仅靠静止空气冷却的参考封装、安装在传统液冷散热器上的相同封装，以及在芯片正下方直接流过水的新型微通道封装。在每种情况下，他们向芯片施加电功率并观察其温度随时间上升的情况。用空气冷却时，芯片在仅几瓦功率下就升至约220摄氏度。将封装安装在水冷散热器上有所改善，但需要数升冷却剂且芯片仍远高于理想温度。相比之下，微通道封装在不到20秒内仅用几毫升水便将温度降至约43摄氏度。在高功率下，与空气冷却版本相比，其可处理的热负荷约高出六到七倍；与散热器冷却版本相比，在相同允许的温升下约高出二到三倍。

衡量效率，而不仅仅是冷却能力

良好的冷却不仅是降温效果，还关乎为此付出的能量和材料成本。因此，研究人员计算了性能系数（coefficient of performance），衡量移除的热量与泵送液体所消耗能量的比值。直接封装系统达到了很高的性能系数，堪比最佳的直接芯片冷却示范，同时使用的冷却剂远少。他们还分析了热量如何在系统中传递，分别考察了铜、流体和接触区域的作用。尽管芯片的某些部分并未直接接触冷却剂，但整体的散热能力仍然优秀，且全局传热性能指标与文献中报道的许多先进微通道设计相当或更优。

下一步可能的发展

由于冷却通道位于封装内而不是芯片内部，该概念更自然地契合现有制造产线，理论上可适配不同类型的功率器件，包括用于电动汽车和射频发射器的器件。作者指出，未来工作可以优化通道形状、改变冷却剂，甚至使用沸腾吸热的流体以吸收更多热量。他们还强调需要测试长期可靠性并将微小流体线路集成到实际电路板中。如果这些实际问题得到解决，直接封装冷却可能使功率电子在不发生过热的情况下运行更高强度、更长时间，从而在日常技术中实现更紧凑、更高效、更耐用的系统。

通俗来说这意味着什么

通俗地说，该研究表明，在芯片下方的金属底板中布置微小的水路，比起吹风或连接远端金属块更能有效冷却芯片。将冷却剂直接置于热点正下方，并以与标准封装方法兼容的方式实现，这种方法提供了一条实用的路径，使电子设备更凉、更省能、寿命更长，而无需庞大的散热器或大量冷却液罐。

引用: Martin, H.A., Zhang, Z., Saeed, M. et al. Co-packaged electronics with microfluidics for direct-to-package cooling. Commun Eng 5, 92 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00620-9

关键词: 微流体冷却, 功率电子, 热管理, 芯片封装, 液体冷却