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微米級鑽石微通道,破解近10 千瓦晶片散熱難題

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背景介紹

隨著電子設備工作頻率提升,雷達、氮化鎵(GaN)功率元件等熱流密度需求已達5-10kW/cm²),傳統微通道散熱器(MHS)散熱能力僅<2 kW/cm²,有嚴重熱失控風險。傳統方案限制:基材矽、銅等傳統基材導熱率低(矽148W/(m・K)、銅~400W/(m・K)),無法快速傳導高熱流;結構:毫米級微通道散熱能力僅300 W/cm² ,且針翅單一導致流場性能不足; cm²/W,無法滿足近結冷卻的低阻需求。
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成果掠影
近日,東南大學許波團隊提出了一種基於鑽石微通道散熱器(MHS)的近結冷卻技術,該技術採用創新的腰形針翅與圓柱形和翼型相結合,研究了邊界條件和幾何尺寸對傳熱的影響。結果表明,低質量流量時,微通道內會產生熱積聚,加劇熱點溫度的升高,而針翅的結構參數對熱點溫度的影響有限,但對流動和傳熱性能有顯著影響,為使傳熱過程中的不可逆損失最小化,傳熱強化效果最大化,推薦的參數為:翼片角度為45 °,距腰形值5值得注意的是,與毫米級MHS相比,微米級MHS表現出33.3%的散熱極限增加,這歸因於尺寸效應。此外,複合針翅透過流動加速和二次流誘導增強傳熱。這種方法實現了前所未有的MHS散熱極限7300 W/cm²,該系列產品的傳熱係數提高到661.6 kW/m²·K,壓降降低到132.4 kPa,總熱阻降低到0.0059 K cm²/W,具有國際領先的性能。為氮化鎵(GaN)功率元件的超高熱流熱管理提供國際領先方案。研究成果「Micrometer-scale composite pin-fin diamond microchannel heat sink for near-10-kilowatt-level chip thermal management」為題發表在《Energy》

03
圖文導讀
圖1. MHS的結構⽰意圖。

圖2.仿真流程圖。
 

圖3.網格獨立性的驗證。


圖4.模擬和實驗驗證。


圖5.通道尺⼨對熱性能的影響。


圖6.不同翅片結構對微通道溫度分佈的影響。


圖7.不同釘肋結構對MHS速度分佈的影響。


圖8.針翅結構對微通道溫度的影響。


圖9.⼯況與鰭片結構對MHS⽔⼒性能的影響。


圖10.⽤於資料簡化的熱阻網路的剖⾯圖。


圖11.幾何形狀對熱阻的影響。


圖12.微通道散熱器的COP隨翅片結構參數的變化。


圖13.熱性能係數隨微通道翅片幾何形狀的變化。


圖14.微通道針翅幾何形狀對傳熱熵產⽣的影響。


圖15.不同入⼝溫度下的散熱極限:(a)Tin = 283.15 K;(b)Tin = 293.15 K;(c)Tin = 293.15 K。


圖16.不同入⼝溫度下的熱性能分析。