内嵌温敏型水凝胶分形微流道热沉的芯片热点自适应冷却特性数值研究.pdf

中文摘要 摘 要 微电子技术特别是军用电子和微波器件的发展推动着电子芯片朝着小型化、 多集成度的方向飞速发展。芯片特征尺寸的减小和单位面积上集成半导体数目的 增加不仅会造成芯片的高热流密度问题，还使得芯片表面局部热点频发。热点造 成的高温度梯度给电子设备的运行可靠性和工作寿命带来巨大挑战。因此，有必 要开发能自适应冷却芯片热点的散热技术，预防芯片的局部热失效问题。 基于此，本课题提出一种自适应冷却芯片热点的内嵌温敏型水凝胶分形微流 道散热技术，利用温敏型水凝胶的热缩形变特性感知热点并自适应调控冷却流体 流量，增大热点附近分支流道内的流量，实现热点的快速自适应冷却。本文采用 CFD 数值模拟的方法首先对微流道热沉进行了结构优化，然后深入研究了不同局 部热点条件下水凝胶热沉的热点自适应冷却性能，并结合现阶段芯片的热功率提 出了提升水凝胶热沉可处理热流范围的途径和方法，对水凝胶的嵌入方式（位置、 尺寸）进行了对比和优化。本文的主要结论如下： 将分形微流道热沉的分流结构改为平台或圆弧分流是一种有效强化换热的结 构优化方式，在12.5 ml/min 的流量和25W/cm2 的热流条件下，优化后的热沉能将 温度降低1.25K ；在分形微流道热沉单元中嵌入热缩型水凝胶，能实现对热点的感 应和自适应冷却，水凝胶与热点的相对位置对水凝胶热沉热点自适应冷却能力影 响较大。水凝胶初始尺寸越大，其变形对流量的调控越明显，热沉泵功率更高， 可考虑选用变形率更大的水凝胶，在不增加泵功率的基础上强化流量调控能力。 均匀热流条件下，内嵌水凝胶热沉(SFMHS)无流量调控作用，热沉散热均匀， 不存在过度冷却问题。SFMHS 中水凝胶的嵌入会提高泵功率，在200 ml/min 流量 条件下，SFMHS 的最大泵功率为48.47 mW ；热点条件下，SFMHS 的热点温升低 于常规热沉(FMHS) ，热源面温度梯度更小，温度分布更均匀。当HSB 热点热流密 度为400 W/cm2 时，SFMHS 的热点温升比常规低4.47 K ，热源面最大温差比常规 低4.28 K ，热源面温度分布标准差比常规低0.97 K 。更高热点条件下（热点面积 和热流密度的增大），更多的水凝胶发生变形，水凝胶热沉的热点冷却优势越明显。 与初始未变形状态相比，水凝胶的变形会明显降低热沉所需泵功率。 水凝胶热沉自适应冷却热点作用的发挥对热流具有一定的要求，过高的热流 容易导致水凝胶全部变形，过低的热流水凝胶感应不到。同时，水凝胶更容易感 应距离越近的热点并发生变形实现热点的自适应冷却；提高热沉本身的散热性能 和提高水凝胶的形变温度能有效提高水凝胶热沉可处理热流密度范围，包括采用 导热性能更好的基板材料（铜），提升流体流量和采用换热能力更强的冷却流体（纳 I 重庆大学硕士学位论文 米流体）。在研究的最优条件下，形变温度为 316K 的水凝胶热沉所能处理的最大 2 背景热流密度为93.3 W/cm ，满足高热流密度芯片的散热要求。 与水凝胶嵌在2 级流道中的热沉SFMHS 2 相比，在1 级流道中嵌入水凝胶的 热沉SFMHS 1 在均匀热流条件下的温度更低，泵功率更小，其泵功率为SFMHS 2 的1/3。水凝胶同时嵌在1 级和2 级流道的热沉SFMHS1+2 的温度最低，泵功率最 高，为SFMHS 2 泵功率的1.16 倍。 高热流（高背景热流、高热点热流）条件下，SFMHS 2 中水凝胶容易全部变 形，失去热点自适应冷却能力，此时 SFMHS 2 的热点温升最高。当热点热流为 2 2 400 W/cm （背景热流为25 W/cm ），SFMHS 1+2 的热点温升比SFMHS 2 热点温 升低5.23K，比SFMHS 1 低3.24K, SFMHS 1+2 热源面温差比SFMHS 2 和SFMHS 1 分别低6.50 K 和4.37 K ，SFMHS 1+2 热源面温度标准差比SFMHS 2 和SFMHS 1 分别低1.47 K 和0.98 K ；低热流（低背景热流、低热点热流）条件下，SFMHS 1 中水凝胶感应不到热点，不能