树形分叉微通道均温散热器的紧凑热模型及其验证

摘要

多芯片阵列电子封装是目前电子产品的主流发展趋势。保证多芯片阵列电子封装器件和产品内芯片温度的一致和均匀对于提高器件和产品的性能的一致性、稳定性及可靠性具有重要意义。本文研究了一种树形分叉微通道散热器,期望通过树形分叉结构增加下游通道换热面积,用于补偿下游流体过热造成的换热条件恶化,缩小上下游热源之间的温差并最终实现上下游热源温度的均匀性。
　　对一个冷却三个热源的三级树形分叉微通道散热器单元进行了传热分析,建立了三个相对独立的单热源热阻网络模型,并对热阻网络模型中的热阻计算进行了简化和抽象,得到了各个热阻的解析计算表达式。
　　采用数值仿真的方法分析了该树形分叉微通道内的流动换热特性,发现各级微通道均存在“入口”效应,并且均处于热发展段。基于数值仿真结果,对目前已有的矩形直微通道内热发展段的局部和平均Nusselt数计算表达式进行了分析和验证,拟合并给出了新的矩形直微通道内热发展段的平均Nusselt数计算表达式。
　　根据建立的热模型,分别优化设计了一款微米级树形分叉微通道均温散热器单元和一款用于实验验证热模型的毫米级树形分叉微通道均温散热器单元。运用数值仿真的方法验证了微米级树形分叉微通道均温散热器单元的性能,仿真结果表明:三个热源所在位置的温度分别是45.51℃、45.74℃和45.71℃,与热模型预测结果——44.77℃、44.61℃和45.37℃接近,两者之间的最大偏差为1.13℃,并且都显示了温差小于1℃的温度均匀性。
　　实验验证了优化设计的毫米级树形分叉微通道均温散热器单元的性能。在三组实验工况下,该散热器单元均显示了良好的温度均匀性,三个热源间最大的温差为1.7℃,在设计工况下,三个热源间温差仅为0.7℃;实验还测试了一种平行直微通道散热器单元的性能,在与树形分叉微通道均温散热器单元相同的三组测试工况下,该平行直微通道散热器单元表面上下游热源之间存在较大温差,最小温差为3℃,最大温差为7.8℃。

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1 绪 论

1.1 微通道散热技术应用简介

1.2 微通道散热技术的国内外研究状况

1.3 微通道散热技术在应用中还存在的问题

1.4 课题来源和论文的研究内容

2 树形分叉微通道散热器热模型

2.1 散热器传热分析与热阻网络

2.2 热阻网络中热阻的计算

3 树形分叉微通道内流动传热分析

3.1 树形分叉微通道内流动传热数值仿真

3.2 微通道内传热计算式的分析与拟合

3.3 传热计算式与热模型耦合

4 基于热模型的均温散热器设计

4.1 优化设计流程与设计例I

4.2 设计例I的数值仿真验证

4.3 实验验证用设计例II

5 热模型的实验验证

5.1 实验方案与装置

5.2 实验结果与讨论

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录 攻读学位期间发表的论文