【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】微機(jī)電加工技術(shù)的進(jìn)步和堆疊封裝趨勢(shì)導(dǎo)致芯片內(nèi)部熱點(diǎn)集中的問(wèn)題愈加突出，諸如數(shù)據(jù)中心、航空航天、雷達(dá)和高性能計(jì)算等領(lǐng)域內(nèi)的器件功耗不斷升高，局部熱流密度甚至可超過(guò)1 kW/cm2。當(dāng)前商用的風(fēng)冷技術(shù)散熱極限約1-10 W/cm2，無(wú)法保障高熱流密度的電子器件的性能及運(yùn)行可靠性。此外，為滿足日漸嚴(yán)苛的冷卻需求，風(fēng)冷設(shè)備的電力消耗也在不斷增加。以數(shù)據(jù)中心為例，我國(guó)2019年耗電量約占全社會(huì)用電量的0.8% – 1.0%，預(yù)計(jì)2030年將增長(zhǎng)到1.5% – 2.0%，其中冷卻耗能約占一半。為達(dá)成“雙碳”目標(biāo)，降低冷卻耗能帶來(lái)的碳排放量，創(chuàng)新低能耗、高效率的冷卻技術(shù)具有重要意義。
歧管微通道(Manifold microchannel,MMC)因其冷卻能力強(qiáng)、泵功率消耗低，已成為微通道冷卻領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。相比常規(guī)的微通道冷卻，MMC具有流動(dòng)均勻性好、壓降損失小的特點(diǎn)。嵌入式冷卻，是將微通道直接集成于FPGA、GaN等大功率芯片內(nèi)部以直接移除熱量的冷卻方式，可以有效減少封裝材料熱阻以及界面熱阻的影響。基于微通道內(nèi)的擾流結(jié)構(gòu)可以通過(guò)破壞邊界層和加強(qiáng)流體混合來(lái)改善傳熱的理論，研究所傳熱傳質(zhì)中心提出在微通道內(nèi)增加分流板的嵌入式復(fù)合MMC。研究表明，芯片加熱面的溫升為60 ℃時(shí)，復(fù)合MMC的冷卻能力可達(dá)2500 W/cm2。在消耗相同泵功的前提下，復(fù)合MMC的熱阻比同尺寸MMC最多可降低43.2%，即對(duì)分流板的優(yōu)化設(shè)計(jì)可有效提升復(fù)合MMC的綜合性能。研究人員通過(guò)計(jì)算冷卻性能系數(shù)(即熱流密度與泵功密度之比，Cooling Coefficient of Performance,COP)，進(jìn)一步驗(yàn)證了復(fù)合MMC是更為節(jié)能、高效的冷卻方案。例如，當(dāng)熱流密度為1500 W/cm2 時(shí)，復(fù)合MMC的冷卻性能系數(shù)超過(guò) 10000，比2020年發(fā)表于Nature中的《Co-designing electronics with microfluidics for more sustainable cooling》提及的嵌入式微流體冷卻方案提升了259%。
上述工作相關(guān)研究成果發(fā)表在流動(dòng)換熱領(lǐng)域內(nèi)的TOP期刊Applied Thermal Engineering，影響因子6.0，被引次數(shù)已超10次。
圖1 綜合性能優(yōu)于以往研究MMC
圖2 與常規(guī)MMC對(duì)比熱阻降低43.2%
圖3 分流板結(jié)構(gòu)改善流場(chǎng)與溫度場(chǎng)
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