图1 图文摘要

随着半导体芯片向高集成度、高功率密度方向快速迭代，算力飙升引发的极高热流密度问题已成为制约电子设备性能提升、寿命延长的核心瓶颈，传统热管理技术在复杂结构制造、界面传热效率等方面的局限日益凸显。激光制造凭借其高能量密度、高加工精度、灵活可控的独特优势，可精准突破传统工艺的物理限制，在电子封装热管理的多个关键环节实现技术革新，成为解决高功率芯片热管理难题的核心赋能手段。以下从五大核心应用方向，详细阐述激光技术在电子封装热管理中的研究进展与应用潜力。

嵌入式流形（manifold）微通道被公认为高热流密度芯片最有效的冷却方案之一。传统反应离子刻蚀（RIE/DRIE）受限于表面平面加工，且对金刚石等超硬材料加工能力极弱。相比之下，激光展现出无与伦比的加工灵活性：对于硅片，飞秒激光辅助湿法刻蚀可在晶圆内部直接构建复杂的非线性3D微流体网络；对于金刚石，激光不仅能高效制备高深宽比通道，结合Au-Sn键合技术后，更能实现全金刚石嵌入式微通道热沉的封装。有研究者基于激光加工制备了全金刚石嵌入式 manifold 微通道散热基板。该架构在1 mm×1 mm热点区域内可承受高达10,000 W/cm²的极限热流密度；在3.4 mm×3.3 mm大面积下处理1000 W/cm²热流时，温升仅为42 K。未来引入超快激光进一步提升微通道深宽比，有望在不显著增加成本的前提下再次刷新散热极限。

玻璃通孔（TGV）与硅通孔（TSV）是先进封装中实现3D垂直电互连的核心。这些内部填充高导热金属（如铜）的微孔，客观上充当了关键的热桥，将热量从芯片内部高效传导至表面。基于TSV转接板的嵌入式微流控模拟显示，当热流密度在145–150 W/cm²区间时可获得极佳的温度均匀性。相较于工艺复杂、刻蚀速率低（~12 μm/min）且成本高昂的传统DRIE硅刻蚀，激光钻孔技术门槛更低，且能够高效加工碳化硅等高导热宽禁带材料，为三维异质封装的内部热管理提供了兼具性能与成本效益的新解法。

传统热压键合极易对温敏元件产生损伤，而激光透射焊接利用局部光子能量实现界面快速熔合，热影响区极窄，有效防止了全局热应力并保证了微流体通道在流体高压下的结构完整与气密性。在热界面材料（TIMs）调控上，激光烧结纳米银浆打破了聚合物导热材料的低效瓶颈，构建出纯金属传导通道，导热率跃升至200–250 W/(m·K)。此外，超快激光表面活化可在无基底烧蚀的前提下，去除晶圆表面的绝缘氧化物及微观污染物，实现原子级接触并优化声阻抗匹配，最大化卡皮查（Kapitza）热导，极大地释放了下一代电子封装的散热潜能。

基于激光粉末床熔融（LPBF）的增材制造技术，凭借自下而上的层叠堆积原理，彻底打破了传统铸造与机加工在刀具干涉与脱模方面的物理限制。将这种极高的几何自由度与拓扑优化、三周期极小曲面（TPMS）等先进计算模型结合，能够直接打印出空间互穿的3D微观散热结构。例如，采用拓扑优化设计的蛇形微通道在压降上实现了高达91.57%的惊人降幅。在极高热流密度下，微通道流动阻力往往是最大的瓶颈，因此牺牲极其微小的热性能（如峰值温度微升至57.11 °C）以换取水力学性能的大幅改善具有极高工程价值。目前，此类拓扑设计正逐步将制造约束纳入算法，逐步向直接芯片级热管理迈进。

两相冷却依靠液体汽化潜热管理极高热流，但受制于临界热流密度（CHF）——气泡聚合成绝缘蒸汽膜导致温度失控的临界点。飞秒激光加工能够在此类瓶颈处雕刻出具备“超级吸液”效应的微纳结构（如激光诱导周期性表面结构LIPSS及微孔阵列）。这些织构能产生极强的毛细泵浦力，强制将新鲜冷却液拉回加热区，大幅延缓蒸汽膜生成。实验证实，在不锈钢表面诱导LIPSS后，CHF从91 W/cm²大幅提升至142 W/cm²，对流换热系数（HTC）更是翻倍至67,400 W/(m²·K)。理论上，通过优化参数在金刚石等基底上同步加工微通道与控形LIPSS，将为下一代两相冷却设备带来前所未有的性能跨越。