电子设备及功率器件冷却研究

admin · 发表于 5 小时前

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目前，电子设备及功率器件的冷却题目已成为国际微电子和传热领域的一个研究热点。电子设备的高效冷却技术主要是为了解决设备中高热流密度组件的散热题目。如何确保高热流密度条件下芯片热量及时排出，是芯片设计必须考虑的一个重要方面，尤其是对高集成度的芯片而言，这已经成为需要首要考虑的题目。若不对其热性能进行深入的研究和采取相应的措施，将严重影响高集成度芯片的热可靠性。对电子器件致命高热流密度题目的研究是一个集工程热物理、机械、材料、数学等多学科交叉的整体性设计领域，同时研究牵扯到了电子设备封装级、部件级、系统级和环境级的全方位热分析及优化技术。然而迄今为止相关研究相对独立，彼此脱节，没有一个系统的理念来指导全方位的电子设备及功率器件的热设计；并且由于具体的实验条件、实验设备和计算方法等的不同，针对某些相似或相同的工况，研究往往给出定量甚至定性上相互矛盾的结论。本文以解决电子器件高热流密度题目为研究主线，同时从外部散热器和芯片内部散热这两个主要层面进行研究，以理论分析、数值模拟和实验研究三种方法对功率器件的内部和外部流动换热进行了分析并进行了结构优化。本文首先研究了工程中最为常见的板翅式和针柱式空气强迫对流主动式散热器，以数值计算的方法分析了散热器内腔流体的流动和换热特性；分析了各种几何参数对散热器综合散热特性的影响；建立了关于散热器无量纲品质因数的准则关系式；并采用有约束条件的遗传优化算法，对散热器的几何结构进行了多参数优化，得到了可以强化换热的散热器的较好的几何结构。与此同时，还针对矩形通道内装有不同直径、形状及具有微尺度结构的单根肋片的流动和换热进行了数值模拟，获得了通道内流场、平均对流换热系数等的分布特征，并对各种带肋通道的换热特性进行了对比分析。为了研究跨尺度肋片结构对通道内流动换热的影响，本文采用自编程序数值模拟了装有不同结构形式的肋片通道内的流动和换热过程，得到了通道内流场、温度场等基本特征，并对不同结构肋片通道的换热特性进行了对比分析，研究了广义温度梯度均匀化原则对对流换热过程中传热效果的影响，证明了此原则可以用来指导寻找出能够强化对流换热的最优的肋片结构。针对于芯片内部冷却微小通道散热器方面，本文以数值模拟的方法研究了水力直径为0.3~3mm的微小矩形通道中流体的流动与换热特性，得到了微小通道内部的努赛尔数Nu与流动阻力系数ξ随雷诺数Re的变化规律；确定了所研究的微小尺度范围内，流体由层流转变为湍流的转捩雷诺数Recr；并应用大量数值模拟结果通过多元线形回归建立了所研究范围内矩形微小通道内部流体努赛尔数Nu和流动阻力系数ξ的准则关系式，并基于遗传优化算法对矩形微小通道的几何结构进行了优化设计。接着，本文基于构形理论，提出了一种新型芯片内部冷却用构形微通道散热器——Y形构形微通道散热器，分别应用实验和数值模拟的方法研究了通道中流体的流动换热特性，并对该结构中重要的几何参数进行了优化，两种方法所得结果吻合良好。结果表明，Y形构形微通道与传统微通道相比可以明显降低全场的最高温度，改善了温度场均匀性，并且有效地降低了进出口的总压降；通道级数越多，全场温度越均匀，通道进出口压降越大；温度场随通道分叉角度的增大而变均匀，全场最高温度下降，通道进出口压降随分叉角度的增加先减小后增大；Y形构形微通道分支个数n=2比 n=3具有更好的散热器综合换热性能。以上工作所得到的结论完善了电子设备外部散热器研究中存在的不足，为其工业应用提供了经验指导。同时首次提出了Y形构形微通道散热器这种新的芯片内部冷却结构，对其内部的流动换热特性进行了分析，并优化了其结构，为芯片内部散热提供了一条明确的研究思路。

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