微电子芯片冷却的实验研究和数值模拟汇总

微电子芯片冷却的实验研究和数值模拟

随着微电子技术的飞速发展，芯片功率密度不断上升，芯片的耗能和散热已经成为限制微电子技术发展的瓶颈，对微电子芯片冷却技术的需求上升到前所未有的程度。因此，对高性能冷却技术的研究具有十分重要的意义。本论文探索了两种微电子设备的冷却技术。一种是液体射流冲击冷却，它是利用流体垂直向表面进行高速冲击，从而产生很强的换热效果；另一种是真空制冷冷却，它是利用抽真空降压而使液体相变蒸发而获得制冷。上述两种技术已经运用在许多工程领域，在微电子设备的冷却上也具有广阔的前景。本论文进行了以下3方面的工作：1、设计了一个有限空间的浸没射流装置，建立了接近实际应用的圆形浸没射流系统，利用浸没射流对CPU芯片进行强化传热的实验研究。为了进一步研究射流强化传热的规律，针对自主设计的浸没射流装置建立三维湍流数学模型，运用FLUENT软件进行了数值模拟。实验和模拟发现，增大射流速度、降低射流进口的温度都有利于提高冲击面平均换热系数，降低芯片表面温度；喷射间距对冲击面平均换热及芯片表面温度无明显影响；在相同的射流速度下，增大喷嘴直径有利于提高冲击面换热系数，且换热系数分布更加均匀；在相同的射流流量下，减小喷嘴直径有利于提高冲击面平均换热系数。实验值和模拟值基本吻合。2、自行研制了结合微小矩形槽道的浸没射流装置，对其进行了强化换热的实验研究和数值模拟。实验和模拟都发现，结合微小槽道的射流装置具有更佳的换热效果；矩形槽道的截面尺寸越小，其换热效果越佳。3、利用真空制冷对模拟CPU芯片的冷却进行了探索研究。建立了液体真空制冷的数学模型并进行理论推导，得到了液体温度随时间的变换函数；建立了利用真空制冷冷却芯片的实验系统，结果表明，利用真空制冷对芯片进行冷却具有一定的可行性；增大蒸发器底板导热系数、减小水与底板之间的换热热阻以及采用加肋底板都有助于提高换热效率降低芯片表面温度。