01
背景
芯片微型化、集成度持续提升，数据中心、核电、聚变装置出现超高热流密度工况；传统单相对流冷却散热能力不足，沸腾相变冷却依靠工质汽化潜热，可抑制芯片温升、适配高热流，成为电子浸没冷却主流技术路线。传统沸腾强化技术局限，现有强化手段机械粗糙化、沟槽 / 针肋、MEMS 微纳结构、3D 打印多孔晶格；依靠增大换热面积、提供大量汽化核心、毛细补液提升 CHF 与 HTC。 但绝大多数 3D 打印散热结构采用后装配工艺：独立铜散热件 + 导热膏贴合芯片，导热膏、金属垫片引入多层附加热阻，大幅抵消微结构带来的换热增益。
02
成果掠影
近日，韩国延世大学Hyung Hee Cho联合美国威斯康星大学麦迪逊分校、美国田纳西大学团队提出“片上打印（On-Chip Printing）”方案——直接在硅晶圆背面（芯片背面）通过选择性激光熔化（SLM）技术生长出纯铜微柱阵列（Pin Fin）。将这些结构直接制造到芯片本身上可以消除额外的热阻，从而降低表面温度。与镀铜表面相比，制造表面的传热系数提高了88%，传热性能整体有效提高了40%。此外，为了评估结构完整性和热稳定性，该表面在两周内进行了反复测试。在这个延长的实验期间，所制造的表面保持了一致的传热性能，同时保持了其引脚结构的完整性。片上直接3D打印是突破浸没式液冷散热瓶颈的有效路径，既实现了CHF和HTC的翻倍式提升，又凭借长期老化测试证明了其满足数据中心/电力电子对可靠性的严苛要求。提出“省去TIM层”的集成制造理念，对未来芯片封装与散热结构一体化设计具有重要指导意义。研究成果以“On-Chip additive manufacturing for enhanced boiling heat transfer”为题，发表于《Applied Thermal Engineering》期刊。
03
图文导读
图1、（a） 加热芯片上直接3d打印优势示意图，以及（b）直接3d打印的传感器配置。
图2、（a） 3D打印工艺，（b）预制试样，（c）预制结构的SEM图像，（d）Cu膜和Cu引脚的接触角，以及（e）3D打印引脚阵列的芯吸率。
图3、池沸腾实验装置。（a）沸腾室，（b）试验段组件，（c）实验装置照片。
图4、气泡可视化结果。（a）光滑铜膜上的沸腾气泡，以及（b）3D打印引脚阵列上的沸腾泡沫。
图5、实验结果。（a）沸腾曲线，箭头表示CHF，（b）传热系数曲线，以及（c）沸腾过程中的温度波动。
图6、重复煮沸2周的实验结果。（a）3D打印的引脚阵列的沸腾曲线，（b）3D打印引脚阵列的传热系数曲线，（c）电沉积Cu膜的沸腾曲线，（e） 从第0天至第14天记录的最大传热系数，以及（f）在额外20小时实验期间的壁温波动，沸腾曲线中的箭头表示CHF。
图7、（a） 3d打印引脚的SEM图像，沸腾实验前后2周，氧化物形成导致的表面形态变化，（b）3d打印引脚和（c）光滑铜膜的XRD结果。
图8、基于热回路的分析。（a）代表传统3D打印散热器的热电路，（b）直接3D打印结构的热电路；（c）每个热电路节点的温度，不是基于实际尺寸，而是基于每个节点；（d）传统配置的热阻部分，具有相同散热器的直接打印外壳和等效热阻。
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