基于三维微通道散热的芯片热点散热特性研究

摘要

半导体技术集成化的不断发展导致半导体的尺寸不断减小,晶体管的密度不断增加,电路速度不断加快从而使芯片的功率和热流密度越来越大。近些年来纳米电子技术的使用和半导体设备性能的不断提高使芯片上的功率分布越来越不均匀,从而产生热流密度很高的局部热点。传统的空气冷却对热点的冷却能力有限,因此需要研究更加有效的能对芯片的热点进行冷却的方法。
　　使用具有较高导热系数,较高比热容和较小黏度的液体作为冷却工质的液体冷却是一种高效的冷却方法。因此本文采用液体冷却方法来研究微流道内芯片热点的散热特性。研究芯片有两种:2D芯片和3D堆叠封装芯片。
　　对于2D芯片,研究了平行和交联结合微流道散热器的热点散热特性,并将两种微流道的热点散热特性进行对比。研究流体入口流速、交联结合微流道的位置和宽度、热点的热流密度和位置对热点散热特性的影响。当芯片上有单热点且热点在上游位置或者芯片上有双热点且上游热点的热流密度较大时,散热器的热点散热特性较好。交联结合微流道的宽度为0.5mm且交联结合微流道位于热点的前方并与热点相邻时,交联结合微流道散热器的热点散热特性最好。与平行微流道散热器相比,交联结合微流道散热器的热点散热特性更好,散热更为均匀。另外,也研究了多层带有局部细化交叉微流道的散热器的热点散热特性,研究流体入口流速、散热器层数和热点热流密度对热点散热特性的影响。散热器的层数越大,散热器热点散热特性越好,散热越均匀。当散热器层数增加到一定值时,散热器的热点散热特性不再受散热器层数的影响。热点的热流密度越大,散热器的热点散热特性越差,散热器散热越不均匀。
　　对于3D堆叠封装芯片,采用夹层水冷的方法来研究热点功率和流体流速对热点散热特性的影响。随着热点功率增大,3D堆叠封装芯片各层芯片的温度均急剧上升,其中底层芯片温度上升幅值最大,最上层芯片温度上升幅值最小。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 微流道散热及芯片热点散热的国内外研究进展

1.3 课题来源

1.4 选题意义及研究内容

1.5 论文的章节安排

第二章 流体流动与传热的基本理论

2.1 边界层

2.2 传热方式

2.3 CFD基本方程

2.4 CFD软件介绍

第三章 平行和交联结合微流道散热器的热点散热特性研究

3.1 散热器的几何模型的建立

3.2 散热器热点散热特性的模拟仿真

3.3 本章小结

第四章 多层微流道散热器的热点散热特性研究

4.1 微流道散热器的热点散热特性对比

4.2 1-5层带有局部细化交叉微流道的散热器的建模

4.3 1-5层带有局部细化交叉微流道的散热器的数值仿真

4.4 本章小结

第五章 3D堆叠封装芯片的热点散热特性研究

5.1 3D堆叠封装芯片的夹层水冷

5.2 3D堆叠封装芯片的具体几何结构

5.3 数值仿真与结果分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

硕士期间所取得的研究成果