自1965年戈登摩尔提出摩尔定律以来,集成电路50多年来一直按照每18-24个月集成密度提高一倍的速度在高速发展。同时芯片的封装技术也在快速发展,以3D多层封装为代表的现代封装技术,也在促进芯片的小型化、高密度化。但因此引发而出的芯片散热问题,也成为了制约芯片密度继续提升的核心难点,因此针对芯片的散热而提出了各种解决方案。常规的如散热片:通过热传导的方式来解决芯片表面的热量积聚问题;强迫空气对流散热:利用风扇驱动空气循环,带走芯片表面热量,从而达到散热目的;热管:利用介质的相变原理来解决热量传导,从而达到散热的目的;热电制冷技术:利用了帕尔帖效应。以上的这些冷却手段部分散热效果有限,部分由于原理过于复杂而难以简单、稳定的加工和生产。自1981年Tuckerman和Pease第一次系统地提出微通道散热器以来,微通道散热器由于其简单的结构以及高效的散热效果获得了广泛地关注和研究。本论文则是基于此提出了一种用于改善芯片表面热量分布的微通道散热器,主要的设计优化思路是基于有限元分析进行了散热器结构优化设计,然后利用微加工工艺对优化过的散热器结构进行了制作,最后搭建了红外测试平台,对样品进了测试和表征。使用建模软件GambitTM进行优化模型建立,并基于有限元仿真软件Fluent进行了计算分析,对散热器中水层高度、流道占空比、散热工质的出入口位置以及扰流柱形状4种因素对散热效果的影响进行了系统地仿真对比。并基于仿真优化的结果,运用微机械加工的手段,制作了部分典型微通道散热器。关于散热器中的流道水层高度,其不仅影响到出入口压力差,也会影响到散热器的散热效果。同样的水流速度下,水层高度增加出入口压差会降低;但同时热量在水层中传导是需要时间的,水层高度过高会导致水层中温度梯度过大,从而导致换热不充分进而影响散热器的散热效率。而水层高度过低,则腔体体积过小,出入口压差过大,也会影响到散热器的散热效率。本研究过程建模仿真了水层高度从100-1000μm之间的变化区间共计10种模型,基于压差和散热效果的综合考量,选择了500μm的水层高度为最佳设计。流道占空比关系到流道与散热工质的换热面积以及散热器腔体的大小,占空比越大换热面积越大;同时占空比越大水流压差也会变大;而占空比过小,则会导致换热面积不充分,影响散热效果。基于腔体实际尺寸以及扰流柱和流道的宽度,计算对比了36种不同扰流柱宽度以及流道宽度的散热器,其中扰流柱为300μm搭配流道宽度为200μm的设计最优,在此设计下散热效果以及出入口压力差达到了均衡。关于出入口位置的选择,芯片的热量集聚点一般位于芯片的正中央,有研究表明常规的对角出入口设计并不是最佳设计,散热工质直接导入到芯片正中央位置更有利于芯片表面热量的控制。本研究基于散热器的对称性考量,设计并计算了63种不同的出入口模型,根据仿真结果确定了最优工质出入口位置。关于扰流柱形状的影响,扰流柱形状会影响到腔体的空间分布以及流入工质的轨迹以及换热面积,是一个影响散热效果的核心因素,本研究基于仿真软件计算对比了5种常见扰流柱对于散热器散热效果的影响。最后基于以上仿真优化的实验结果,分别选取了部分典型的器件结构通过MEMS加工工艺制样并试验验证,温度测试基于红外热像仪进行最高温度点捕捉,试验测试的表面温度变化趋势与仿真结果吻合良好,基于这一系列的仿真优化以及实验测试,最终达到了微通道散热器的结构优化目的,从而显著地提高了散热效率。在环境温度为20℃,散热器的散热效率最高达到了446.39W/cm~2,能够满足绝大多数高功率芯片的散热需求。