星載微型電子系統(tǒng)微尺度傳熱與散熱方法研究.pdf

1、隨著微電子、微機(jī)械、微型計算機(jī)及微加工技術(shù)的發(fā)展，微型航天器以其成本低、重量輕、研制周期短、功能密度高和發(fā)射靈活等特點(diǎn)正在逐漸發(fā)展起來?！拔⑿秃恕?MicroCore)是微型航天器的通用核心，是對星載微型電子系統(tǒng)的高度集成，由片上系統(tǒng)控制單元模塊(SoC)、I/O接口電路以及射頻集成電路(RFIC)等組成。在性能不斷提高的前提下，隨著器件尺寸、體積和質(zhì)量的不斷減小，致使在微小空間和時間內(nèi)需要傳輸大量的熱量。分析在微尺度范圍內(nèi)熱量的產(chǎn)生和

2、傳遞過程，為“微型核”設(shè)計可以有效傳遞熱量的冷卻系統(tǒng)，是本文研究的重點(diǎn)。
　　由于“微型核”的尺寸非常小，其中某些器件的尺寸可能達(dá)到納米量級。分子動力學(xué)模擬是研究該尺寸范圍內(nèi)存在的非常規(guī)傳熱現(xiàn)象的有效方法。首先，采用平衡及非平衡分子動力學(xué)模擬研究了具有可靠勢能函數(shù)的氬晶體的傳熱性質(zhì)。在非平衡分子動力學(xué)模擬中采用CV熱波模型計算氬晶體的熱導(dǎo)率，從而消除了Fourier定律所假設(shè)的熱量傳播速度為無窮大的矛盾，在一定程度上考慮了微尺度傳

3、熱的非Fourier效應(yīng)。模擬結(jié)果表明，考慮非Fourier效應(yīng)得到的結(jié)果比用Fourier定律計算的結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)值。其次，采用定熱流算法，考慮局域溫度的量子修正，并采用應(yīng)用范圍較廣、適用性較好的Tersoff勢對硅晶體薄膜的熱物性進(jìn)行了分子動力學(xué)模擬。模擬結(jié)果表明，在微尺度范圍內(nèi)，硅晶體薄膜的熱物性存在著尺寸效應(yīng)和溫度效應(yīng)。
　　當(dāng)器件中的熱流密度大于106W/m2時，傳統(tǒng)的風(fēng)冷措施已無法滿足其冷卻要求，微槽道冷卻熱沉是目前最

4、具前景的取代方法。為提高微槽道冷卻熱沉的傳熱效率，首先采用序列二次規(guī)劃(SQP)算法，以熱阻和壓降作為目標(biāo)函數(shù)，對微槽道熱沉的幾何形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，結(jié)果發(fā)現(xiàn)具有一定優(yōu)化結(jié)構(gòu)的矩形微槽道的傳熱效率最高。其次采用熱阻網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)一步對矩形微槽道熱沉進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，得到了矩形微槽道熱沉的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。為驗(yàn)證上面得到的微槽道冷卻熱沉的冷卻效果，采用有限體積法對優(yōu)化的微槽道冷卻熱沉進(jìn)行了數(shù)值模擬。數(shù)值模擬結(jié)果與分析結(jié)果相吻合。通過與未經(jīng)優(yōu)化的微槽道冷卻熱

5、沉的對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的微槽道冷卻熱沉在較小泵功率下，可以降低熱源芯片的溫度到其許可的范圍內(nèi)，因而可以滿足熱源芯片對溫度的要求。為進(jìn)一步分析微槽道冷卻熱沉對一具體的芯片封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行冷卻的效果，基于計算流體動力學(xué)原理，采用有限單元法進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果與有限體積法相吻合，表明該優(yōu)化的微槽道冷卻熱沉可以滿足傳遞高熱流密度的要求。
　　最后，對“微型核”泵流體微槽道冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計。通過比較，采用電滲微泵和去離子水分別作為動力和冷卻劑。通