【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】微機電加工技術(shù)的進步和堆疊封裝趨勢導致芯片內(nèi)部熱點集中的問題愈加突出，諸如數(shù)據(jù)中心、航空航天、雷達和高性能計算等領域內(nèi)的器件功耗不斷升高，局部熱流密度甚至可超過1 kW/cm2。當前商用的風冷技術(shù)散熱極限約1-10 W/cm2，無法保障高熱流密度的電子器件的性能及運行可靠性。此外，為滿足日漸嚴苛的冷卻需求，風冷設備的電力消耗也在不斷增加。以數(shù)據(jù)中心為例，我國2019年耗電量約占全社會用電量的0.8% – 1.0%，預計2030年將增長到1.5% – 2.0%，其中冷卻耗能約占一半。為達成“雙碳”目標，降低冷卻耗能帶來的碳排放量，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、泵功率消耗低，已成為微通道冷卻領域的研究熱點。相比常規(guī)的微通道冷卻，MMC具有流動均勻性好、壓降損失小的特點。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)可以通過破壞邊界層和加強流體混合來改善傳熱的理論，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合MMC。研究表明，芯片加熱面的溫升為60 ℃時，復合MMC的冷卻能力可達2500 W/cm2。在消耗相同泵功的前提下，復合MMC的熱阻比同尺寸MMC最多可降低43.2%，即對分流板的優(yōu)化設計可有效提升復合MMC的綜合性能。研究人員通過計算冷卻性能系數(shù)(即熱流密度與泵功密度之比，Cooling Coefficient of Performance,COP)，進一步驗證了復合MMC是更為節(jié)能、高效的冷卻方案。例如，當熱流密度為1500 W/cm2 時，復合MMC的冷卻性能系數(shù)超過 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%。
上述工作相關研究成果發(fā)表在流動換熱領域內(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對比熱阻降低43.2%
圖3 分流板結(jié)構(gòu)改善流場與溫度場
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