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随着微电子芯片朝着高度集成化、高功率和三维堆叠化方向飞速发展,其面临的散热问题日益严重,传统冷却方式已无法满足散热要求,亟需发展芯片级冷却技术以满足平均热流密度100 W/cm2和局部热点热流密度1000 W/cm2的热管理要求。微流道冷却技术具有传热系数高、微型化和集成化的优点,被誉为微电子元器件最具前景的热管理方法之一。然而随着微电子芯片散热难度持续增加,亟需针对芯片热管理实际面临的高热流密度、非均匀热源和层间多热源问题,优化微流道结构,强化微流道换热性能,开发出芯片级微流道冷却技术。并进一步探索提升芯片表面温度均匀性和微流道内流动沸腾稳定性的方法,揭示微尺度下传热强化机理,为实现芯片级微流道冷却和微尺度下热质传输优化提供理论指导。基于此,本课题采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法,对嵌入式硅基针肋微流道内单相流动传热特性和流动沸腾传热特性进行深入研究。一方面,探究了微针肋结构、阵列分布方式与热源分布对针肋微流道内单相流动压降、传热系数和壁面温度均匀性的影响,揭示流动扰动对传热的强化机制。另一方面,提出新型梯级分布针肋-突扩旁路混合微流道,对比分析均匀针肋微流道和梯级分布针肋-突扩旁路混合微流道内流动沸腾传热特性,揭示两种针肋微流道内沸腾流型特征与传热机理,阐明梯级分布针肋-突扩旁路对流动沸腾不稳定性的抑制作用。主要内容如下:首先,对嵌入式均匀针肋微流道内传热热阻和流动压降进行理论分析,分别建立传热热阻和压降的理论分析模型。结果表明,均匀针肋微流道传热总热阻随着微针肋直径和阵列孔隙率降低而降低,但过小的微针肋直径和阵列孔隙率将会导致泵功率的突升。而孔隙率一定时,随微针肋直径增加,对流传热热阻逐渐起主导作用。依据国际半导体协会热管理要求并基于理论分析结果,分析得到了微针肋直径的最佳范围为100—200 um,同时微针肋阵列孔隙率范围为0.65-0.85,并提出了梯级分布针肋微流道,用于解决微流道单相传热过程中由流体温升导致的流程方向芯片表面温差增加的问题。其次,设计了针肋微流道芯片并搭建了微流道单相强制对流传热实验测试平台,系统探究了介电冷却剂HFE7100在均匀和梯级分布针肋微流道内流动压降与传热特性。一方面,阐明了针肋梯级分布设计和流动工况（体积流量、热流密度和冷却剂入口温度）对传热系数和壁温均匀性的影响规律。另一方面,揭示了流动扰动对传热的强化机制,并提出了考虑流动扰动影响的新的统一传热关联式。针肋微流道实验工况Re范围为100—1000,结果表明,当Re>449时,由于微针肋尾部开始产生较强的流动混合和冲击效应,流动扰动造成的压力损失对压降的贡献增大,摩擦因子对Re的依存关系明显减弱。同时,强化的流体混合和冲击效应也有效提升了针肋微流道传热系数,降低芯片表面温差。与均匀针肋微流道相比,梯级分布设计使得微流道中下游形成传热强化区,提升了梯级分布针肋微流道传热系数,改善了芯片表面温度均匀性。一定体积流量（Qv=120 ml/min）和热流密度（qw=40 W/cm2）下,其平均传热系数增加了36.8%,芯片表面最大温差降低了6.3 K。然后,通过三维数值模拟研究3D堆叠芯片层间非均匀热源分布对均匀和梯级分布针肋微流道内均温性和传热特性的影响。结果表明,当每层芯片热流密度一定时,双侧热源对两种针肋微流道内传热的影响明显增强,芯片表面温度大幅增加,导致两种针肋微流道可处理的热流密度极限相比于单侧热源几乎下降了一半,一定体积流量Qv=120 ml/min时,分别为55 W/cm2和70 W/cm2。非均匀热源下,高热流密度局部热点的存在导致芯片表面温度和局部热点温度明显增加,但梯级分布级间区一定程度上降低了局部热点温度。为进一步强化非均匀热源下局部热点的热管理,提出梯级分布环形凹腔针肋微流道,将流体从两侧引入中心凹腔中,局部加速后直接冲击下排针肋表面。结果表明,环形凹腔微针肋能够有效减少圆形针肋后方的流动死区,从而强化局部换热系数。在两侧非均匀热源下（背景热流:40 W/cm2;热点热流:300 W/cm2）,其局部热点和芯片平均温度降低了约10 K。最后,建立了针肋微流道内两相流动与传热可视化实验系统,以低沸点介电冷却剂HFE7000为工作流体,对比研究了均匀针肋微流道和梯级分布针肋-突扩旁路混合微流道内沸腾传热特性。结果表明随着热流密度增加,两种针肋微流道内呈现锥形两相流,并逐渐向上游发展。与均匀针肋微流道相比,虽然梯级分布针肋-突扩旁路混合微流道达到起始沸腾时所需的热流密度和壁面过热度更高,但微针肋梯级分布和突扩旁路设计可有效抑制不稳定两相流向上游发展,使得高热流密度下气泡能被及时冲刷至下游,避免堵塞微通道,减少了锥形两相流内的局部干涸现象,提升了流动沸腾稳定性,因而相同质量流速（G=737 kg/m2s）下其所处理的热流密度提升了10 W/cm2。此外,相比于单相强制对流换热,进入流动沸腾传热阶段后,由于传热系数显著增加,芯片表面温差呈现下降趋势,温度均匀性明显提升。