基于MEMS加工工藝的復(fù)雜結(jié)構(gòu)微通道散熱器研究.pdf

1、從宏觀器件的微小型化到功能化微小型器件的獨(dú)立開發(fā)，結(jié)構(gòu)的微型化使器件內(nèi)部的物質(zhì)和能量輸運(yùn)均受到了微小空間的限制，這使得部分高功率器件面臨功率過高所帶來高能量及快速熱輸運(yùn)問題。另一方面，在微電子領(lǐng)域，隨著芯片上器件集成度的快速增長，由微電子器件溫度敏感性所帶來的芯片熱控制問題也不斷突顯。而具備高效率散熱優(yōu)勢的微通道散熱器為上述微小空間內(nèi)的散熱問題提供了良好的解決方案。傳統(tǒng)的微通道散熱器由平行排布的微通道散熱單元組成，通過內(nèi)部工質(zhì)以強(qiáng)迫對流

2、的方式散逸被冷卻器件的熱量。伴隨著MEMS技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，將MEMS技術(shù)應(yīng)用于解決微小機(jī)構(gòu)在特定時(shí)間和空間尺度范圍內(nèi)的熱控制問題，使得微型化散熱器件在散熱性能和結(jié)構(gòu)適應(yīng)性方面得到了極大的提升和拓展。微通道散熱器結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷了傳統(tǒng)平行排布微通道結(jié)構(gòu)布局后，開始出現(xiàn)許多變化的復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式。與此同時(shí)，這一趨勢使得微通道散熱器的設(shè)計(jì)理念獲得了更多深層次的探討和研究。也同時(shí)為研究不同微通道結(jié)構(gòu)形式下的流動及傳熱機(jī)制問題提供了更多的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。

3、 本文基于傳統(tǒng)的微通道散熱器結(jié)構(gòu)和MEMS技術(shù)優(yōu)勢，提出了一種復(fù)合短程橫向過流次級通道陣列和薄層散熱板結(jié)構(gòu)的新型復(fù)雜微通道散熱器設(shè)計(jì)。在靠近熱源器件的散熱板下表面使用短程橫向過流次級通道陣列一方面縮短了熱源到工質(zhì)的熱傳輸路徑，提高了散熱效率；另一方面較短的通道長度使內(nèi)部工質(zhì)入口段在通道中所占比例提高，有效利用了工質(zhì)入口段具有較高散熱效率的優(yōu)勢；此外，與傳統(tǒng)器件相比較，在縱向通道基礎(chǔ)上引入該通道陣列增大了工質(zhì)與散熱板之間的熱交換面積

4、，創(chuàng)造了與工質(zhì)高效熱交換的良好條件。采用薄層散熱板的設(shè)計(jì)為整體散熱器提供了低阻傳熱通道，削弱了散熱板對材料熱導(dǎo)率的高要求。上述短程橫向過流次級通道和薄層散熱板結(jié)構(gòu)相結(jié)合形成了本文新型微通道散熱器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。 本研究同時(shí)運(yùn)用ANSYS和CFX軟件對創(chuàng)新方案與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性能進(jìn)行了比較分析，確認(rèn)了設(shè)計(jì)思想的合理性；在此基礎(chǔ)上充分發(fā)揮MEMS技術(shù)在復(fù)雜微結(jié)構(gòu)和多種材料兼容制造方面的優(yōu)勢，采用硅與非硅微加工技術(shù)相結(jié)合的集成制造流程

5、，研制了新型微通道散熱器樣品，并搭建了紅外測試平臺對其進(jìn)行了初步表征。在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和新型結(jié)構(gòu)的仿真比較分析中，新型結(jié)構(gòu)在所采用的工況條件中都具備了較優(yōu)的散熱性能。實(shí)驗(yàn)測試表明，新型結(jié)構(gòu)的微通道散熱器在低工質(zhì)流速6.79ml/min時(shí)，其整體熱阻為1.87℃/w，當(dāng)工質(zhì)流速增大至800ml/min時(shí)，仿真預(yù)測的散熱器整體熱阻值低至0.09℃/w?；诜抡娣椒▽ι鲜鼋Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步的研究分析，在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加入了背面散熱增強(qiáng)通道結(jié)構(gòu)。通過參