星载微型电子系统微尺度传热与散热方法研究

摘要

随着微电子、微机械、微型计算机及微加工技术的发展，微型航天器以其成本低、重量轻、研制周期短、功能密度高和发射灵活等特点正在逐渐发展起来。“微型核”(MicroCore)是微型航天器的通用核心，是对星载微型电子系统的高度集成，由片上系统控制单元模块(SoC)、I/O接口电路以及射频集成电路(RFIC)等组成。在性能不断提高的前提下，随着器件尺寸、体积和质量的不断减小，致使在微小空间和时间内需要传输大量的热量。分析在微尺度范围内热量的产生和传递过程，为“微型核”设计可以有效传递热量的冷却系统，是本文研究的重点。
　　由于“微型核”的尺寸非常小，其中某些器件的尺寸可能达到纳米量级。分子动力学模拟是研究该尺寸范围内存在的非常规传热现象的有效方法。首先，采用平衡及非平衡分子动力学模拟研究了具有可靠势能函数的氩晶体的传热性质。在非平衡分子动力学模拟中采用CV热波模型计算氩晶体的热导率，从而消除了Fourier定律所假设的热量传播速度为无穷大的矛盾，在一定程度上考虑了微尺度传热的非Fourier效应。模拟结果表明，考虑非Fourier效应得到的结果比用Fourier定律计算的结果更接近实验值。其次，采用定热流算法，考虑局域温度的量子修正，并采用应用范围较广、适用性较好的Tersoff势对硅晶体薄膜的热物性进行了分子动力学模拟。模拟结果表明，在微尺度范围内，硅晶体薄膜的热物性存在着尺寸效应和温度效应。
　　当器件中的热流密度大于106W/m2时，传统的风冷措施已无法满足其冷却要求，微槽道冷却热沉是目前最具前景的取代方法。为提高微槽道冷却热沉的传热效率，首先采用序列二次规划(SQP)算法，以热阻和压降作为目标函数，对微槽道热沉的几何形状进行优化设计，结果发现具有一定优化结构的矩形微槽道的传热效率最高。其次采用热阻网络模型进一步对矩形微槽道热沉进行优化设计，得到了矩形微槽道热沉的优化结构。为验证上面得到的微槽道冷却热沉的冷却效果，采用有限体积法对优化的微槽道冷却热沉进行了数值模拟。数值模拟结果与分析结果相吻合。通过与未经优化的微槽道冷却热沉的对比发现，优化后的微槽道冷却热沉在较小泵功率下，可以降低热源芯片的温度到其许可的范围内，因而可以满足热源芯片对温度的要求。为进一步分析微槽道冷却热沉对一具体的芯片封装结构进行冷却的效果，基于计算流体动力学原理，采用有限单元法进行数值模拟，结果与有限体积法相吻合，表明该优化的微槽道冷却热沉可以满足传递高热流密度的要求。
　　最后，对“微型核”泵流体微槽道冷却系统进行了设计。通过比较，采用电渗微泵和去离子水分别作为动力和冷却剂。通过简化，建立了“微型核”的数值模拟模型，采用有限体积法进行了数值模拟，并给出整个“微型核”的温度分布，结果表明本文所设计的泵流体微槽道冷却系统可以满足“微型核”中热源芯片对温度的要求。

目录

星载微型电子系统微尺度传热与散热方法研究

STUDY ON MICROSCALE HEAT TRANSFER AND DISSIPATION METHOD FOR SPACEBOME MICRO-ELECTRONICS SYSTEM

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 论文的主要研究内容

第2章 氩晶体薄膜的分子动力学模拟

2.1 引言

2.2 分子动力学基础理论

2.3 氩晶体薄膜热导率的分子动力学模拟

2.4 本章小结

第3章 硅晶体纳米薄膜的分子动力学模拟

3.1 引言

3.2 硅的晶体结构

3.3 硅的势能模型

3.4 非平衡分子动力学模拟

3.5 结果分析与讨论

3.6 本章小结

第4章 微槽道冷却热沉及其优化设计

4.1 引言

4.2 优化设计方法

4.3 序列二次规划(SQP)算法及实现

4.4 微槽道热沉几何尺寸的优化设计

4.5 微槽道冷却热沉的热阻网络模型

4.6 本章小结

第5章 微槽道冷却热沉的数值模拟

5.1 引言

5.2 微尺度下流体动力学方程的可用性

5.3 计算流体动力学方法及数值模拟软件

5.4 微槽道冷却热沉的数值模拟

5.5 瞬态分析

5.6 二维流体冷却单芯片的有限元模拟

5.7 本章小结

第6章 泵流体微槽道冷却系统的数值模拟

6.1 引言

6.2 泵流体微槽道冷却系统

6.3 “微型核”模型

6.4 数值模拟与结果分析

6.5 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

原创性声明和论文使用授权书

致谢

个人简历