引言
在前文对芯片微通道液冷整体技术发展进行详细梳理的基础上，本报告将聚焦微通道冷却液展开系统性分析，结合现有前沿研究成果与产业实际数据，重点阐述微通道冷却液的类型与核心特性，并梳理其主流技术发展方向。
关键词：微通道冷却液、液冷技术、热管理、AI芯片液冷，算力冷却液
01
微通道液冷概述
微通道液冷是一种通过在微米级通道内循环冷却液，实现高效热量传递的散热方案。其核心是在冷却基板内部构造微米级通道结构，通常宽度和深度为几十微米量级，让冷却液直接流经这些通道，通过壁面热传导与流体强制对流换热，将热量从发热源快速带走。与传统散热方式相比，微通道液冷技术通过大幅缩短热传递路径、增大有效换热面积，显著提升散热效率。
图1：微通道（微针翅阵列结构）冷却
02
微通道冷却液类型
微通道液冷可采用多种冷却液，不同冷却液都有其独特的传热特性和适用场景。
2.1 单相冷却液
单相冷却是指冷却液在工作过程中不发生相变，仅依靠显热进行热量传递,系统结构简单、运行稳定，广泛应用于服务器、数据中心与算力设备等中高热流密度散热场景。常用介质包括：
1）去离子水。去离子水是微通道液冷中应用最广泛的基液，因其比热容大、导热系数高而被广泛使用。在微通道结构中，提高冷却液流速可强化传热性能，但会同步增大流动压降，增加泵耗。由于水具有导电性，若直接与带电电子元器件接触，存在短路风险，通常需要通过冷板实现间接散热。
图2 采用去离子水作为换热介质Re = 1000时矩形微通道中水的流线。
(a)微通道a， (b)微通道b， (c)微通道c。
2）乙二醇水溶液。在水中添加乙二醇，可提升冷却液沸点，同时具备优异的防冻、防腐性能，适配宽温域工作环境。但乙二醇会提高流体黏度，工程常用配比下，流动阻力高于纯水，会一定程度降低换热效率、增加泵功消耗。
2.2 两相冷却液
两相冷却液依靠液气相变吸收大量热量，可将散热表面维持在较低且均匀的温度区间，相变过程中流体吸收的汽化潜热让其换热效率远高于单相冷却。在微通道内，两相流会形成泰勒弹状流（Taylor slugs）等特有流型，由长条形蒸汽泡与液塞交替排布，核心传热机制为薄膜蒸发，即热量通过通道壁面的薄液膜快速传递至汽液界面并完成相变。
过冷流动沸腾是典型的高效两相传热模式，热壁面生成的气泡成核生长后，会被过冷主流流体快速冷凝，该机制在核反应堆、高功率微电子设备等高热流密度散热系统中起到关键作用。
1）常规两相流工质
常用两相流冷却液包括 R134a、R143fa、R245fa 等环保制冷剂，以及去离子水；氨作为歧管微通道散热器的工质时，也能表现出良好的热工水力性能。
2）相变微胶囊悬浮液（MPCM）
相变微胶囊以相变材料为芯材、聚合物或无机材料为壁材，通过微胶囊化工艺封装形成微米级固体颗粒。芯材随温度变化发生物态转变，伴随大量潜热的吸收与释放，外层壁材则能解决传统相变材料的痛点，包括相变前后体积变化大、热形变易堵塞微通道、泄漏风险高、部分材料腐蚀流道等问题。
将相变微胶囊与常规单相基液搅拌混合制成悬浮液，应用于电子设备散热系统时，既能借助相变潜热强化对流传热、提升换热效率并稳定设备温度，又能将相变材料与流道、器件隔离，避免腐蚀问题，提升系统热稳定性。
图2：相变微胶囊结构示意图
不过，两相流冷却也存在一些关键难题，比如流动不稳定性，具体包括压力振荡、流量分配不均，以及临界热通量限制。临界热通量即CHF是系统能承受的最大热负荷，一旦超过这个限值，系统传热性能会大幅下降，严重时会造成壁面烧蚀，进而导致整个散热系统失效。
2.3 液态金属
液态金属，多指液态的镓、铟、铋、锡等低熔点金属合金，具有高导热、低黏度、宽液态温域的独特物理化学特性，被视为下一代高效散热介质。
西北工业大学微电子学院王少熙团队研究指出，基于镓系液态金属的冷却体系相较传统水冷或气冷方案，具备更高的导热系数（10–40 W·m⁻¹·K⁻¹）并能够在极端热流条件下保持稳定运行。同时，液态金属冷却液也存在导电泄漏与金属腐蚀迁移风险。目前主要通过镀镍防护、UV胶封装、凝胶包覆等技术控制泄漏风险。
图3 液态金属散热器结构示意图
图4（a）使用液态金属作为模具制造微通道的方法。(b)在真空室内将液态金属注入管道的过程。(c)各种微结构中液态金属注射的示意图
2.4 纳米流体
纳米流体是将1-100纳米的固体颗粒，如碳纳米管、Al2O3、Cu、金刚石等分散在传统基液中形成的新型冷却液，均匀分散在水、乙二醇、润滑油、制冷剂等传统基础流体中，形成的胶体悬浮液。引入纳米颗粒后，基础流体的导热系数、比热容等热物理性能会显著提升，其流变特性也可能随之改变。例如，含有Ag、SiO2和Al2O3纳米颗粒的水基纳米流体在矩形、梯形和欧米伽形微通道散热器中表现出更高的平均换热系数。
03
微通道冷却液特性分析
3.1 核心性能要求
微通道冷却液的性能要求主要体现在以下几个方面：
高导热系数和比热容：冷却液应具有优异的导热能力和储热能力，以最大限度地带走热量。
低粘度：低粘度有助于降低流体流动的阻力，从而减少泵浦功耗和压降。
高临界热通量（CHF）：特别是对于两相流冷却，高CHF意味着系统可以承受更高的热负荷而不会发生沸腾危机。
良好的介电性能：在直接冷却电子元件时，冷却液应具有良好的电绝缘性，以避免短路和腐蚀。
稳定性与环保性：冷却液应具有良好的化学稳定性和热稳定性，不易分解或与系统材料发生反应。尽量选择对环境友好的物质，符合相关环保法规。
3.2 冷却液选择与优化
未来微通道冷却液的选型与优化，将围绕三类介质开展更贴近工程落地的技术攻关：
针对纳米流体做配方与工艺优化，重点筛选石墨烯、SiC、金属氧化物等纳米颗粒与水、乙二醇、液态金属基液的适配组合，通过颗粒表面改性、分散艺改进，在提升流体导热系数的同时，解决颗粒团聚沉积、微通道内压降过大、长期循环稳定性差的问题，让换热增益与流动性能达到实用平衡。
开发适配微通道的新型两相流工质，聚焦低 GWP 环保制冷剂、高绝缘介电流体及其多元混合工质，精准优化沸点、潜热、粘度等关键参数，改善工质在微通道内的沸腾流型与流动稳定性，提升临界热通量，满足高功率芯片、高密度微通道在高热流密度下的稳定高效冷却需求。
深化相变微胶囊材料（MPCM）的微通道适配研究，优化胶囊粒径、壁材强度与分散均匀性，重点验证其在狭小流道内的流动特性、传热效率及长期循环可靠性，解决胶囊破损、流道堵塞、换热性能衰减等实际问题，让相变潜热的控温优势真正落地到精密微通道热管理中。
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微通道液冷的技术方向
微通道冷却技术的发展方向主要集中在以下几个方面：
4.1 通道结构优化：
歧管微通道（Manifold Microchannel, MMC）：相比于传统直通道微通道，歧管微通道在相同压降下可将冷却效率提高约50%。通过优化歧管覆盖面积和流道设计，可以实现超高热通量下极低的热阻和泵浦功耗。
图5：带歧管微通道散热器的完整封装结构
变截面微通道：研究表明，变截面微通道，如带侧壁肋和底部腔体、或带侧壁肋和锥形腔体的设计，可以有效提升液冷板的散热性能。
微针翅（Micro Pin Fin）和肋片（Ribs）：在微通道中引入微针翅或肋片结构可以增加对流换热面积，增强流体混合，从而提高换热系数。例如，仿生鱼形肋片可以改善微通道内的传热和流动特性。
图 6：微翅片结构
分叉微通道：仿生分叉结构如树状微通道可以优化流量分配均匀性，降低压降，并提高整体换热效率。
多尺度结构：结合微通道、纳米孔或多孔介质（如金属泡沫）的混合结构可以进一步提高换热性能。
图7：多种微通道增强结构
4.2 温度均匀性控制
温度均匀性是防止芯片局部过热、提升设备可靠性的关键。通过优化流道几何形状、采用变密度微结构、局部加密内翅片等设计，可改善温度分布均匀性；径向微通道则能消除传统平行直通道的温度不均问题，同时保留原有散热优势。
4.3 多物理场耦合分析
高热通量芯片冷却需考虑热-流-力-电多物理场耦合效应，通过建立耦合模型，分析焦耳热、冷却液流量等因素对散热性能的影响，可揭示耦合作用机制并指导结构优化。计算流体动力学（CFD）仿真可模拟传热模式及温度相关特性，在芯片热管理领域发挥指导作用。
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结语
微通道冷却液作为高热流密度芯片液冷系统的核心介质，其性能迭代与工程化落地，将持续推动微通道液冷方案走向更高效、稳定与实用化，为 AI 芯片、算力中心等高端算力设施的可靠运行提供关键的热管理保障。
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