沸腾驱动型热扩散器（BDHS）：用于液冷应用中高功率芯片热管理的创新技术

来源： Applied Thermal Engineering 289 (2026) 129715

作者： Su-Yoon Doh, Seung M. You, Seongmook Jeong, Jungho Lee

DOI： 10.1016/j.applthermaleng.2026.129715

类别：芯片散热技术 | 热管理 | 液冷系统

一、研究背景

随着人工智能、高性能计算和数据中心应用的快速发展，高功率服务器芯片的热设计功耗（Thermal Design Power, TDP）持续攀升，已从数百瓦级迈向千瓦级水平。以当前主流服务器GPU和CPU为例，其TDP已普遍达到700–1200 W的量级。这种热负荷的急剧提升并非仅由芯片尺寸缩小引起，而是与chiplet集成、2.5D/3D封装、高带宽存储器（HBM）以及芯粒间互连等先进封装技术密切相关。在如此高的功率密度条件下，若热量不能被及时有效地扩散与移除，将直接导致性能衰减甚至器件失效。

传统的风冷技术已接近其散热极限，难以满足千瓦级芯片的冷却需求，因此液冷方案逐渐成为主流。然而，单相液冷在面对极高热流密度时仍存在明显不足，这促使研究者重新关注利用相变换热的被动式散热技术。其中，热扩散器（heat spreader）作为一种无需外部功耗即可实现高效热扩散的关键部件，长期以来被认为是高功率电子器件热管理中的重要组成。

现有技术局限：现有的大面积热扩散器多采用毛细芯驱动的蒸汽腔结构，通过液体蒸发与冷凝实现二维热扩散。这类结构虽然在一定条件下可以实现较低的热阻，但其性能高度依赖复杂的毛细芯设计和液体回流路径，在大面积、高热流密度工况下容易出现提前干涸（dryout），且制造工艺复杂、可靠性受限。

为克服上述问题，近年来提出了一种无毛细芯、依靠沸腾驱动的热扩散器（Boiling-Driven Heat Spreader, BDHS）。该结构通过受限空间内的沸腾换热与气泡泵送效应诱导内部流体循环，从而实现热量的快速横向扩散，避免了毛细芯结构带来的设计和制造限制。尽管已有研究验证了BDHS在小尺寸热源条件下的优异性能，但其在大面积、高功率芯片条件下的适用性和性能优势仍缺乏系统实验验证。

基于此，本文设计并制造了一种适用于大面积热源（645 mm²）的无芯沸腾驱动热扩散器，并围绕厚度、充液率（filling ratio, FR）和安装方向等关键参数，系统评估其热阻、最大散热能力以及热扩散性能，为下一代高功率芯片液冷系统提供可靠的被动式热扩散解决方案。

二、研究内容

2.1 沸腾驱动热扩散器（BDHS）的结构设计

为满足大面积、高功率芯片的散热需求，作者设计了一种改进型BDHS结构。该装置整体由高纯度C1100铜制成，主要包括盖板与主体板两部分，内部形成密闭腔体，用于容纳工质并实现沸腾与冷凝循环。

图 1.（a）BDHS 各组成部件的示意图；（b）装置的工作安装方向；（c）实验样品的顶视图.png — 图1（a）BDHS各组成部件的示意图；（b）装置的工作安装方向；（c）实验样品的顶视图

图1(a)展示了BDHS的分解结构，包括加热侧铜块、内盖板、外盖板以及主体结构。为增强沸腾换热性能，作者在靠近加热侧的内盖板上烧结了一层厚度约200 μm的微孔结构（Microporous Structure, MPS），该结构由不同粒径的铜粉混合烧结而成，孔隙率约为60–70%。图1(b)给出了实验中考虑的两种安装方向，即垂直方向和侧向（水平侧放）方向；图1(c)则展示了实验样品的实物顶视图，并标注了温度测点位置。

2.2 大面积BDHS的制造与工质充注

在制造过程中，为避免高温烧结导致整体结构软化，作者将盖板设计为内外双层结构：内盖板用于承载微孔结构，外盖板则用于维持整体机械强度。两者与主体板通过脉冲电弧焊接方式密封连接，从而形成可靠的密闭腔体。实验前，装置在高真空条件下进行抽真空与密封性检测，确保内部无不可凝气体残留。

工质选用经充分脱气处理的去离子水，并在真空条件下按照预定的充液率（60%、70%、80%）进行充注。与传统蒸汽腔不同，该BDHS内部不存在毛细芯结构，其流体循环完全依赖沸腾产生的气泡泵送效应。

2.3 实验测试系统与测量方法

图 2.（a）实验测试系统的整体示意图；（b）加热块内温度测点布置及不同热流密度下的温度分布.png — 图2（a）实验测试系统的整体示意图；（b）加热块内温度测点布置及不同热流密度下的温度分布

图2(a)给出了用于评估BDHS热性能的实验平台示意。BDHS下方通过导热硅脂与铝板及水冷冷板接触，上方由电加热铜块施加热负荷，最大输入功率可达1200 W。冷却水温度维持在40℃，流量保持恒定，以确保边界条件一致。图2(b)显示了加热块内部多个热电偶的布置位置，用于验证热传导过程的单维性并精确计算输入热流密度。

2.4 热阻分解与评价方法

图 3. 温度测点位置及等效热阻网络示意：（a）热侧与冷侧测点分布；（b）垂直方向温度测量位置；（c）等效热阻网络.png — 图3 温度测点位置及等效热阻网络示意：（a）热侧与冷侧测点分布；（b）垂直方向温度测量位置；（c）等效热阻网络

如图3所示，作者构建了完整的等效热阻网络，将系统总热阻分解为轴向热阻（cross-plane）与扩散热阻（in-plane）。其中，轴向热阻反映热量从芯片向冷却界面的垂直传递能力，而扩散热阻则反映热量在冷侧表面横向铺展的能力。通过这一分解方法，可以定量评估BDHS相较于实心铜板在热扩散能力上的优势。

图 4 用于窄间隙池沸腾实验的侧切 BDHS 试样：（a）侧切试样示意图，（b）显示内部间隙厚度的截面图像，以及（c）池沸腾实验条件.png — 图4 用于窄间隙池沸腾实验的侧切BDHS试样：（a）侧切试样示意图，（b）显示内部间隙厚度的截面图像，以及（c）池沸腾实验条件

为单独研究内部间隙厚度对沸腾性能的影响，研究中对BDHS进行侧向切割，得到不同间隙厚度的试样，并在饱和水池中进行池沸腾实验。该方法保留了真实BDHS的内部结构，用于分析受限空间内沸腾行为。

2.5 热阻特性分析

图 5 不同厚度与安装方向下 BDHS 的热阻特性：（a）2 mm–水平，（b）2 mm–垂直，（c）3 mm–水平，（d）3 mm–垂直，（e）4 mm–水平，以及（f）4 mm–垂直.png — 图5 不同厚度与安装方向下BDHS的热阻特性：（a）2 mm–水平，（b）2 mm–垂直，（c）3 mm–水平，（d）3 mm–垂直，（e）4 mm–水平，以及（f）4 mm–垂直

图5给出了BDHS在不同厚度、充液率和方向条件下的热阻–热流密度关系，并与相同厚度的实心铜板进行对比。结果表明，在高热流密度区间，BDHS的热阻显著低于铜板，且性能受厚度、充液率和安装方向的共同影响。

图 6 BDHS 相对于实心结构的性能提升.png — 图6 BDHS相对于实心结构的性能提升

如图6所示，在垂直安装方向下，随着厚度增加，BDHS在最小热阻和最大热流密度方面相对于实心铜板的提升幅度逐渐增大，其中4 mm厚度条件下的提升最为显著。

图 7 不同厚度下 BDHS 的总热阻与扩展热阻，以及扩展热阻所占比例。（a–c）分别为 2、3 和 4 mm 厚度下的总热阻与扩展热阻，（d）为扩展热阻在总热阻中的占比.png — 图7 不同厚度下BDHS的总热阻与扩展热阻，以及扩展热阻所占比例。（a–c）分别为2、3和4 mm厚度下的总热阻与扩展热阻，（d）为扩展热阻在总热阻中的占比

结果显示，与实心铜板相比，BDHS的扩展热阻显著降低，其在总热阻中的占比由约48%降低至约10%，表明沸腾驱动传热显著增强了面内热扩散能力。

图 8 优化工况下 BDHS 的热侧表面温度.png — 图8 优化工况下BDHS的热侧表面温度

在最优参数组合下，即使在接近实际芯片功率水平的高热输入条件下，BDHS的热侧温度仍可保持在约85–100℃的可接受范围内，明显优于实心铜板。

图 9 不同内部间隙厚度侧切 BDHS 试样的池沸腾传热性能：（a）0.8 mm，（b）1.8 mm，（c）2.8 mm.png — 图9 不同内部间隙厚度侧切BDHS试样的池沸腾传热性能：（a）0.8 mm，（b）1.8 mm，（c）2.8 mm

随着内部间隙厚度增加，临界热流密度显著提高，表明较大的间隙有助于改善蒸汽排出和液体再润湿能力，从而提升最大散热能力。

图 10 本研究 BDHS 的热性能与既有热扩散器研究的对比.png — **图10** 本研究BDHS的热性能与既有热扩散器研究的对比

与已有大面积蒸汽腔热扩散器相比，本研究提出的BDHS在大面积热源条件下同时实现了更低的热阻和更高的最大热流密度，尤其在高热流区间表现出明显优势。

三、研究总结

本研究设计并制备了一种适用于大面积、高功率热源的无芯沸腾驱动热扩散器（BDHS），并系统研究了其在不同厚度、充液率（FR）和安装方向下的热性能。主要结论如下：

0.02

最低热阻 K/W

155.5

最高热流密度 W/cm²

48%→10%

扩展热阻占比降低

645

加热面积 mm²

在645 mm²的加热面积条件下，BDHS实现了最低0.02 K/W的热阻和最高155.5 W/cm²（1003 W）的热流密度，相比相同厚度的实心铜板，在总热阻和最大散热能力方面均表现出显著提升。
热阻分解结果表明，BDHS的扩展热阻显著降低，并成为决定总热阻的主导因素。通过沸腾与气泡泵送作用实现的有效面内热扩散，使其扩展热阻贡献远低于实心铜板。
广义线性模型（GLM）分析表明，最小热阻显著受厚度、充液率和安装方向影响，其中厚度与充液率之间存在显著交互作用；最大热流密度主要由厚度和安装方向决定，而充液率的影响较弱。
最优工况为厚度4 mm、充液率60%、垂直安装方向，其期望度指数达到1.000；在水平安装方向下，整体性能提升有限，最佳组合为4 mm–70%，期望度为0.603。
侧切试样的池沸腾实验结果表明，微孔结构决定了传热系数变化趋势，而临界热流密度随间隙厚度增加而提高。在垂直方向下，2.8 mm间隙条件接近无限制沸腾工况，验证了增加BDHS厚度可有效提升最大散热能力。
与已有大面积蒸汽腔热扩散器研究相比，BDHS在高热流密度条件下表现出更低的热阻和更高的散热能力，但在低热流区间仍存在热阻偏高的局限性。

应用前景：BDHS具备结构简单、运行稳定和高效可靠的特点，适用于大面积、高功率芯片的被动散热。其主要应用场景为服务器级电子器件，可作为现有单相液冷冷板之前的被动热扩散单元集成使用，在不同冷却工况下仍具有进一步提升系统级散热性能的潜力。