基于热阻网络模型的硅基微槽热沉多目标优化设计

微槽热沉具有传热效率高、可靠性强的优点,可用于对微尺度高热流密度电子元件进行冷却。为满足其性能需求和控制成本,在对微槽热沉进行设计时需要对其传热能力和流动阻力同时进行优化。传统研究采用的热阻网络模型较为简单,不能很好地反映热阻和流动阻力对微槽道截面形状拓扑变化的响应,且其优化对象通常为既定截面的形状尺寸。为此提出一种基于离散化方法的单层硅基微槽热沉热阻网络模型,将热沉鳍片细分为厚度较小的微元,根据微元热阻对微元宽度的响应及微元热阻对整体热阻的贡献来描述微槽道的整体热阻。以微泵输出功率为优化边界条件,压降和热阻为优化目标,通过SQP(sequential quadratic programming,序列二次规划)方法对层流状态下四边形等截面硅基微槽热沉进行尺寸优化,利用CFD(computational fluid dynamics,计算流体动力学)对优化结果进行模拟和验证。结果表明,当鳍片高度较低时,鳍片截面形状为矩形,随着鳍高增加,截面形状有向三角形发展的趋势。在设计区间内,微槽道截面为梯形、鳍片截面为三角形时传热效率与压降相对占优。用边界点法和理想点法优化模型求得微槽道高度、鳍底宽、槽底宽、槽顶宽的优化结果分别为500,50,64.5,114.5μm和500,50,50,100μm。该方法能根据设计需求调整评价函数,同时计算结果具有重要工程意义,为微槽热沉设计人员提供参考。

单层微通道热沉拓扑结构对芯片中心热点的降温效能研究

通过热流固耦合模拟分析得到了不同微通道结构热沉基底的温度场及微通道内速度场,研究了相同入流功率下不同单层微通道拓扑结构对中心有高热流密度热点芯片的散热能力。结果表明:相同入流功率(0.05W)下,不同结构的散热能力排序由高到低为Y分形、弯曲散射、直散射(双侧出流)、直螺旋、直散射(单侧出流)、圆螺旋、树状分形、直槽结构;采用中心入流可有效降低芯片中心热点附近的温度,对于中心入流的散射结构,采用对称出流结构可提升其流动传热性能;Y分形结构具有良好的流动传热特性,对于热源面和中心热点均具有良好的散热效果。