散热问题是限制电子芯片发展的瓶颈之一。随着5G时代的到来以及芯片的高度集成,高性能芯片计算能力大幅提高,同时带来了高热流在电子芯片中积聚又难以及时导出的难题。这亟待设计出换热效率高,微型且灵活的散热方案从而有效降低芯片结温,减少安全隐患,扫除性能进一步突破的阻碍。基于此,本研究结合了半导体微通道加工技术及环路热管技术,设计了硅基一体化超薄微型环路热管（Silicon on-chip ultra-thin loop heat pipe,s-UTLHP）,实现了 与半导体芯片的直接集成,解决了散热元件与芯片材质的兼容性问题,该方案可以实现定点加工并实现有效的局部热控。本研究通过模拟和实验验证对高深宽比微通道阵列进行参数优化,并基于高深宽比微通道阵列进行了蒸发器设计,完成了 s-UTLHP的整体设计方案。随后,为了实现可视化实验,上盖板采用Pyrex玻璃材质,下硅基板刻蚀了 s-UTLHP的各个结构,完成s-UTLHP的加工研制。为了适应不同环境下的散热需求,本研究分别用去离子水和95%的乙醇作为工质对s-UTLHP进行抽真空充注并开展了可视化传热实验,实验表明:两种工质充注下的s-UTLHP均可长时间稳定运行和有效散热。去离子水充注的s-UTLHP热流密度可以达到49.5 W/cm2,最小热阻为0.09 K/W,乙醇工质热流密度可以达到49 W/cm2,最小热阻为0.12 K/W。通过实验获得的传热性能数据证实,s-UTLHP完全可满足高性能便携式电子芯片的散热需求。为了进一步优化s-UTLHP、突破其传热极限,本研究采用可视化实验手段,获取到了清晰完整的s-UTLHP运行画面,并对蒸发器微通道部分进行集中观测。在s-UTLHP启动过程中,使用高速相机观察和分析了从核沸腾到薄膜蒸发的过渡过程。在超过极限热流时,观察到“干烧现象”导致s-UTLHP无法单向运行而失效。同时,观察并分析了 s-UTLHP在运行时的气液两相分布。相比于去离子水,乙醇工质具有更低的汽化潜热、热容、较高的表面张力和粘度,乙醇工质充注的s-UTLHP极限热流密度较低,热阻较高,但启动更加平稳、快速且汽液界面更清晰。低热流密度下,蒸发器内呈现气泡、液滴共存状态,即蒸发冷凝动态平衡,在高热流密度下,蒸发器内为纯净的气体画面,蒸发速率远大于冷凝速率,进行高效的蒸发-补充机制。另外,去离子水充注的s-UTLHP中受不凝性气体（non-condensable gas,NCG）的影响更大,NCG也阻碍或延缓了工质凝结。本研究采用可视化的方式,从蒸发和冷凝分别进行宏观和微观的观测研究,进一步探索微通道内的工质沸腾流动和冷凝循环特性,为微细结构表面形貌改良及工质选取提供实验参考,从而为进一步提升传热能力及循环传热机制稳定性提供优化依据。本研究设计了基于高深宽比微通道阵列的s-UTLHP,并通过实验验证s-UTLHP可以长时间稳定运行和有效散热,最大限度降低芯片的结温,增强其整体均温性,在便携式电子设备的无外源自循环散热冷却和温控方面优势显著,可对通信、电子、超级计算机等领域产生深远影响。