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一种基于Koch自相似分形变形理论的新型超短冷凝微槽道两相流散热器【硕论】

更新时间:2018-12-24
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一种基于Koch自相似分形变形理论的新型超短冷凝微槽道两相流散热器【集成电路工程】

摘要

当前伴随电子行业的高速发展,高功率密度电子元件有着逐渐增高的集成度,器件散热成为了不可忽略的问题。传统的散热的方式包括空气散热,水冷散热和风冷散热,在这其中使用最广范的散热方式还是热管散热。
本论文 研究了一种超薄的、由硅玻璃键合而成的平板热管,在热管内部,利用微机械加工方法在硅片上刻蚀出基于Koch自相似分形变形理论的的一种新型的超短冷凝微槽道。其中平板热管的刻蚀深度仅为150mm-200mm。
该散热器要至少达到二个目的,一是要减少热阻直接将热管集成到芯片当中,二则是要使其无散热中心,这样即可适应多热源与其他不同位置热源;
为了研究沟道中气液相界面的动态平衡,建立了三维稳态 VOF 的计算流体力学(CFD) 模型。共搭建四种模型,一是常见的T型树状模型,二是微柱阵列模型,三是蜂窝微柱模型,四是基于Koch分形的变形模型。一二是模型为了证明自相似的结构可以得到更好地适应多热源的散热结构;二三模型对比是为了证明六边形的散热结构具备更小的流阻;三四模型对比是为了证明变形的结构四可以更好地解决边缘效应问题。
为了对平板热管内部的两相流进行可视化研究,硅片上方键合了一片透明玻璃盖片。通过高速红外摄像仪,可以观察到密封沟道中工质的毛细冷凝现象和沸腾现象。
为了验证该模型,我们加工完成了模型二和模型四,利用红外温度摄像仪及三目电子显微镜对平板热管上表面的温度、沟道内部气液相界面的位置进行了观测。可以发现,实验结果与仿真结果符合得较好:1、变间距的蜂窝热管模型具有明显优于微柱阵列模型的散热效果,散热效率较无微槽道热管模型及微柱阵列槽道热管模型最高可分别高出34.29%和22.86%;2、变间距的蜂窝热管模型热导率最高可达到微柱阵列热管模型的2.56倍;3、变间距的蜂窝热管模型其液体的流动性能,较微柱阵列热管模型有明显的改善,在同样的循环加热测试条件下,变间距的蜂窝热管模型其最小气泡缩回直径约为3mm,而微柱阵列模型为12mm。即这种带有变间距的蜂窝微沟槽热管结构良好,有机会大规模应用在晶圆级封装的堆叠散热模型上。

关键词:科赫分形理论,芯片散热,蜂窝模型,平板热管

目录

第一章  引言 1
1.1 研究背景 1
1.2 平面热管结构散热理论 2
1.2.1 平面热管的工作原理 2
1.2.2  平面热管的研究现状 4
1.2.3  平面热管研究的不足之处 5
1.3 分形(仿生学)结构散热理论 7
1.3.1 分形(仿生学)结构散热理论 7
1.3.2 分形(仿生学)散热结构的表征方法 9
1.3.3 分形(仿生学)散热结构研究现状 9
1.3.4 树形/蜂巢型分形散热结构的研究现状 11
1.4 研究的目的与意义 13
第二章  芯片的结构设计 15
2.1 设计的理论基础——分形理论 15
2.2 设计的结构基础 16
2.3 基于T型树分形理论的模型 17
2.4 基于微柱阵列自相似分形理论的模型 18
2.5 基于蜂窝自相似分形结构模型 18
2.6 基于蜂窝自相似分形结构模型 18
第三章  芯片的热仿真 20
3.1 软件介绍 20
3.1.1建模仿真流程 20
3.1.2 Solidworks 21
3.1.3 GAMBIT 21
3.1.5 ANSYS-FLUENT 22
3.2 流体连续性假设 23
3.3.1 多相流模型 24
3.3.2 VOF模型 24
3.3.3 Mixture 模型 25
3.3.4 欧拉模型 25
3.4 仿真结果 26
3.4.1 微热管传热极限的仿真模拟研究 26
3.4.2 自适应性对比 31
3.4.3 散热能力对比 32
第四章  芯片的制造 33
4.1 芯片的制造流程 33
4.2 实验设备与仪器 34
4.3 实验芯片展示 35
第五章  实验结论与展望 36
5.1 散热效果对比 36
5.1.1 实验现象描述 36
5.1.2 结果讨论 37
5.2 热导率计算值对比 38
5.3 汽液流动性能 39
5.4 实验总结与展望 41
参考文献 43
攻读硕士学位期间的科研成果 46
致谢 47