3D堆叠芯片硅通孔的电-热-力耦合构形设计

建立了3D堆叠芯片硅通孔(TSV)单元体模型,在单元体总体积和TSV体积占比给定时,考虑电-热-力耦合效应,以最高温度、[火积]耗散率、最大应力和最大形变为性能指标,对TSV横截面长宽比和单元体横截面长宽比进行双自由度构形设计优化。结果表明,存在最佳的TSV横截面长宽比使得单元体的最高温度、[火积]耗散率和最大应力取得极小值,但对应不同优化目标的最优构形各有不同,且TSV两端电压和芯片发热功率越大,其横截面长宽比对各性能指标的影响越大。铜、铝、钨3种材料中,钨填充TSV的热学和力学性能最优,但其电阻率较大。铜填充时,4个指标中最大应力最敏感,优先考虑最大应力最小化设计需求以确定TSV几何参数,可以较好兼顾其他性能指标。

均匀热源条件下类叶状微通道矩形热沉的构形设计

针对均匀背景热流条件下的散热问题,构建了类叶状微通道矩形热沉模型,基于构形理论,在给定热沉体积与液冷通道总体积的约束条件下,以热沉最高温度和压降最小化为目标,以微通道单元数、主通道与分支通道的夹角、主通道与分支通道的管径比为设计变量进行了优化设计。结果表明:通过增加微通道单元数、减小主通道与分支通道的夹角、采用较小的主通道与分支通道之管径比,可以降低热沉的最高温度,但是会增大压降损失。

基于热-流-力耦合计算的多芯片组件布局构形优化

基于构形理论和多物理场耦合数值计算方法,建立了自然对流条件下均匀产热的多芯片组件模型,给定印刷电路板面积和芯片总占地面积为约束条件,分别以最高温度、最大应力和最大形变为优化目标,以芯片个数及芯片长宽比为设计变量,研究了芯片布局演化对系统性能的影响。结果表明:不同优化目标下,最优构形均为芯片长宽比为2.1的8芯片布局方式,多芯片组件的最高温度、最大应力和最大形变分别最多可降低16.5%,28.3%和26.9%。对芯片个数和芯片长宽比双自由度的优化效果要明显优于仅对芯片长宽比的单自由度优化。

多孔侧肋双层微通道热沉构形优化

建立了多孔侧肋双层微通道复合热沉模型,选取最大热阻最小化为优化目标、热沉单元端面纵横比为优化变量,在热沉总体积和流体区域体积占比给定的条件下,对复合热沉进行了构形优化,并分析了冷却剂入口速度、多孔材料孔隙率、上下通道高度比、流体区域体积占比、肋厚比等参数对热沉最优构形的影响。结果表明:给定初始条件,优化热沉单元端面纵横比,可使最大热阻减小21.19%;在热沉单元端面纵横比较小时,减小孔隙率有利于降低最大热阻,而在热沉单元端面纵横比较大时,存在最优的孔隙率使得最大热阻最小;上下通道高度比和肋厚比的改变均未影响热沉最优构形。

射流通道内方柱发热器件的几何设计

基于构形理论,建立了二维射流通道内导热基座上方柱离散热源的散热优化模型.给定离散热源的总纵截面面积和热源高度为约束条件,以系统最高温度和熵产率为优化目标,以各热源的长度比为优化变量进行了几何设计,并分析了射流速度和热源间距对热源最优构形的影响.当射流速度和热源间距给定时,均存在最优长度比使系统最高温度和熵产率最低,但对应不同射流速度和热源间距的最优长度比不同.研究结果可为方柱发热器件的热设计提供理论指导.

内嵌多孔材料矩形微通道复合热沉的构形优化

针对高热流密度电子器件的散热问题,建立了内嵌多孔材料矩形微通道复合热沉模型,对热沉单元端面纵横比和热沉整体长宽比进行了双自由度构形优化。结果表明:给定初始条件,对热沉单元端面纵横比进行单自由度优化,可使热沉火积当量热阻比初始值降低44.1%;随着入口Re数的增大,热沉火积当量热阻降低,热沉单元端面最优纵横比有所减小;多孔区域体积占比越大,热沉单元端面最优纵横比越小;较小的孔隙率有助于降低热沉的火积当量热阻;对热沉单元端面的纵横比和热沉整体的长宽比进行二次优化,火积当量热阻最小值比一次优化所得的最小值进一步降低了14.8%。