随着5G、人工智能、边缘计算等信息技术的爆发式增长,热管理技术成为微电子芯片技术发展的关键突破点。微通道热沉具有尺寸小、易集成、对流换热能力强等优点是未来微电子芯片热管理技术的理想选择。但是,目前大部分微通道热沉设计都是在现有结构基础上的尺寸、形状设计,结构简单、对流换热系数小,已经逐渐不能满足高热流密度芯片的散热要求,如何进一步强化传热是目前微通道热沉结构优化设计亟需解决的问题。目前,微通道热沉强化传热设计仍有两方面问题亟需解决:强化传热理论不完善和优化设计手段局限性。强化传热理论方面,火积理论具备局部和整体的概念,既能进行强化传热机理分析,指导强化传热设计,又能综合衡量对流换热效率;优化设计手段方面,拓扑优化设计可以在固定体积和材料约束下直接获得性能最优的强化传热设计。将火积理论和拓扑优化设计引入微通道热沉强化传热设计当中可以有效解决强化传热理论不完善和优化设计手段局限性的问题。为此,本文构建基于火积理论的拓扑优化微通道热沉模型,并进一步结合火积理论分析拓扑优化微通道热沉的强化传热机理,对拓扑优化微通道热沉进行二次强化传热设计,并通过仿真和实验分析验证设计的正确性,为基于火积理论的微通道热沉强化传热主动设计提供理论和数据支撑。本文的主要内容如下:（1）建立基于火积理论的微通道热沉对流换热模型。详细论述了火积的宏微观定义,并将火积理论引入微通道热沉对流换热领域,从流动和传热两个角度重新审视火积理论,建立基于火积理论的微通道热沉对流换热模型,再进一步从理论和仿真分析两方面验证基于火积理论的微通道热沉对流换热模型的正确性和适用性,为基于火积理论的微通道热沉强化传热设计奠定基础。（2）基于火积理论的微通道热沉拓扑优化设计。建立了微通道热沉伪三维拓扑优化模型,并针对拓扑优化模型中存在精度低、流动传热性能不兼容以及灰度单元的问题,提出了面外耗散项、自适应对流换热系数、对流换热效率拓扑优化目标以及辅助目标等解决方法,进一步研究改进的拓扑优化模型中各关键优化参数对拓扑优化结果的影响规律,获得具有最优参数的微通道热沉伪三维拓扑优化模型。最后,基于这个拓扑优化模型进一步研究不同热源、不同流动工况以及多层层叠工况的微通道热沉拓扑优化设计,证明基于火积的微通道热沉拓扑优化模型的通用性和适用性。（3）拓扑优化微通道热沉数值分析及二次强化传热设计。构建了拓扑优化微通道热沉的数值模型,通过仿真分析研究不同流量、热流密度以及多热源、多流量和多层层叠等工况对拓扑微通道热沉的流动、传热以及综合对流换热性能的影响规律,验证基于火积理论的微通道热沉伪三维拓扑优化设计的正确性。然后,基于局部火积理论分析拓扑微通道热沉的强化传热机理,进一步结合局部火积分布情况进行强化传热分区划分,根据强化传热分区结果对拓扑微通道热沉进行可加工性及二次强化传热设计,给出满足实际工业应用的高性能CPU散热要求的拓扑微通道热沉设计方案。（4）拓扑优化微通道热沉性能测试平台搭建及实验测试。通过激光加工的办法对拓扑微通道热沉进行加工制造,并搭建相应的性能测试平台,从实验层面分析拓扑微通道热沉的流动性能、传热性能以及对流换热不可逆性,验证基于火积的微通道热沉拓扑优化设计及其二次强化传热设计的正确性,进一步将实验结果跟仿真结果进行对比分析,验证仿真分析可靠性,为微通道强化传热设计提供完整思路。