第三代宽禁带半导体具有高频率、高功率、低损耗以及高抗干扰能力等特点,在现代激光器、军用雷达、5G射频和光电子等高尖端应用领域具有广泛的发展前景。然而,这种半导体芯片在正常工作时会产生大量热流,例如氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管放大器的局部热流甚至高达30kW/cm2,而芯片级的热流也会达到1 kW/cm2。如此高额热流密度带来的热管理问题已经成为制约其性能提升的主要瓶颈之一,传统的散热模式例如空冷、风冷等,已经无法满足如此庞大的散热需求,采用MEMS制备的硅基微通道尺寸较小,且可以与发热芯片进行工艺集成嵌入,减小中间传热热阻,实现高效冷却的同时满足了芯片微型化、集成化的需求,在高热流密度芯片冷却领域具有良好的应用前景。然而在传统的硅基微通道内,由于通道表面光滑,工质有效核化穴较少,在换热器冷却工作过程中,在高过热度下工质容易出现亚稳定状态,一旦出现气泡核化,气泡将迅速生长直到充满整个微通道,气液界面在高过热度下快速膨胀,严重时甚至发生工质倒流,对微通道换热产生不利影响。本文针对微通道内的沸腾过热度高及流动换热不稳定性问题,创新性提出两类具有不同排布方式的微针肋簇阵列微通道设计,利用微针肋簇提供的核化穴减小相变起始过热度,利用微针肋簇的优化阵列排布,强化气液两相搅混对流换热,同时利用微针肋簇对液体的毛细吸附作用延缓蒸干,大幅改善微通道的传热性能。本研究设计并搭建了一种微通道相变换热及流型可视化实验台,并通过对比实验,研究了普通并联硅基微通道（RMC）、稀疏微针肋簇硅基微通道（SPFMC）和致密微针肋簇硅基微通道（DPFMC）内工质流动换热特性,并结合高速摄像机和红外热像仪拍摄的图像,揭示了微针肋簇结构强化微通道换热性能的传热机理。实验研究发现,稀疏微针肋簇区和致密微针肋簇区具有相似的换热机理,微针肋簇区提供了大量的气化核心,其传热以核态沸腾为主;微针肋簇之间的微流道区,工质流型以两相气液搅混流为主,其传热以气液两相搅混对流换热为主;微针肋簇的毛细吸液和液体再捕获效应,使得较高的热流密度下仍然存在驻留液体的界面蒸发效应,保持较大的换热系数,延缓蒸干。在工质流量较小的工况下,致密微针肋簇的综合换热强化效果较强,其综合考虑传热和压降的强化因子达到了 1.61;在工质流量较大的工况下,稀疏微针肋簇综合换热强化效果较强,其综合考虑传热和压降的强化因子达到了 1.49。本研究提出的微针肋簇阵列结构,显著强化了微通道内的相变换热,对于新型高效微通道相变冷却器的优化设计提供了新思路。