用于电子封装散热的碳纳米管微冷却器性能研究

目前,电子产品都朝着体积小、功能多的方向发展,导致芯片和集成电路的热流密度不断增大,散热无疑成了电子封装中亟待解决的问题。热性能良好的材料和高效的散热方法在电子封装热管理中发挥重要作用。本文首先对多芯片组件(MCM)的自然对流散热和风扇强制对流散热进行模拟分析,然后通过数值模拟和实验测量的方法研究了碳纳米管微针鳍冷却器结合微冲击射流的散热性能,同时还对碳纳米管微通道冷却器的性能进行了实验研究。本文的主要内容包括以下几个方面:1)建立了多芯片组件(MCM)模型,模拟研究了该MCM在不同功率下的散热特性,并分析了在自然对流散、热辐射、强制对流等因素对传热的影响;2)针对碳纳米管微针鳍冷却器结合冲击射流的流动和传热进行了模型研究,包括湍流模型选择、近壁面处理、网格和边界条件及收敛准则等,并重点分析了影响微冲击射流的因素;3)设计制备了碳纳米管微针鳍冷却器及热测试平台,对碳纳米管微针鳍冷却器的散热性能进行了实验研究;4)对碳纳米管微通道冷却器的强制对流散热进行了实验测试,并比较了碳纳米管微通道冷却器与硅基微通道冷却器的散热效率。本文的研究工作可以得到以下主要结论:1)对于MCM模型,若器件许可温度为80oC,当功率超过5W,自然对流散热已不满足散热要求,需要安装散热片和风扇来提升散热效果。根据不同散热条件下的计算结果,在自然对流散热情况中的辐射传热大约占总散热量的20%,因此,在模拟预测中必须考虑辐射传热;2)碳纳米管微针鳍冷却器结合冲击射流的流动传热进行了数值模拟,通过对射孔到靶面距离、针鳍间距、针鳍阵列等冲击射流传热影响因素的研究,得到了碳纳米管微针鳍冷却器的优化传热模型;3)实验研究了射流流速为0L/min、0.5L/min、1.0L/min、1.5L/min、2L/min时的碳纳米管微针鳍冷却器散热性能。在自然对流散热情况下,碳纳米管针鳍的间距、排列对辐射传热的影响较大;4)根据实验中对相同几何尺寸的碳纳米管微通道冷却器和硅基微通道冷却器在同样强制空气对流条件下的测量比较,发现碳纳米管微通道冷却器的散热效率可提高约25%。

散热; 碳纳米管; 微针鳍冷却器; 冲击射流; 微通道冷却器;

863 计划; 欧盟项目;

张燕;

TK124

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