近日，围绕高功率半导体器件散热这一关键工程问题，南京信息工程大学集成电路学院微电子飞腾产业班本科生张明睿同学在指导教师杨杰副教授的带领下，在液冷散热结构设计与热管理机理研究方面取得新的研究进展。相关成果以 “Design and thermal management study of a liquid-cooled plate heat sink for high-power semiconductor devices” 为题，发表于国际知名学术期刊 IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement。该研究系统开展了面向高功率 IGBT 模块的液冷板（LCP）散热结构设计、数值模拟及实验验证工作。
高功率半导体器件在高功率密度、长时间运行条件下，极易出现温升过高和温度分布不均等问题，严重制约其电性能稳定性与服役可靠性。针对上述挑战，研究团队提出了一种集成蛇形流道、强化散热翅片以及交错布置扰流结构的创新型液冷板散热方案。该设计通过延长冷却液与热源之间的换热路径、增大有效换热面积，并利用扰流结构强化对流换热过程，显著提升了整体散热能力和温度均匀性。
研究采用计算流体动力学（CFD）方法，对不同扰流结构形式、布置方式及翅片间距等关键参数进行了系统分析，并通过实验手段对仿真结果进行了验证。结果表明，合理引入扰流结构可显著降低 IGBT 模块的最高工作温度，并有效改善温度分布均匀性；同时，通过优化扰流结构间距与冷却液流量，在保证优异散热性能的前提下，压力损失得到有效抑制。实验结果显示，随着冷却液流量的增加，器件最高温度可降低约 22 K，且在一定流量范围内系统热性能趋于稳定。
研究结论表明，所提出的液冷板散热设计在高散热效率、能耗控制与结构稳定性之间实现了良好平衡，在不同工况下均展现出可靠的热管理性能。相关成果为高功率传感器模块、精密功率系统及高精度测量仪器中半导体器件的散热设计提供了可推广、可工程化的技术方案，具有良好的应用前景。
本研究得到了国家自然科学基金面上项目（42275143）的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1109/TIM.2025.3644545
