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用于芯片散热的蒸发冷却技术

孙潇  
【摘要】:随着电子计算机制造技术和工艺水平的不断提高,计算机芯片朝着高集成化、小型化和高频化的趋势发展,芯片功率密度不断上升,芯片的耗能和散热成为制约微电子发展的瓶颈,对微电子芯片冷却技术的需求上升到前所未有的程度。因此,对高性能冷却技术的研究具有十分重要的意义。 本文介绍了当今主流的散热技术及其冷却效果、优缺点和适用环境;并提出了国内外新兴的几种冷却技术的研究进展和取得的成果。 针对于芯片散热领域的巨大发展前景,本文从理论上分析了芯片导热问题,通过建立控制方程,网格划分,建立节点温度方程,建立迭代场,加入边界条件,求出了芯片表面温度的数值解。 本文以毛细管散热的理论为依据,结合传热传质原理,分析了纤维所能传导的水分和热量。分析了导湿纤维的芯吸特点,并利用其高吸水性和导水性,探索了一种新型的冷却技术。虽然水冷已经不是当今时代冷却的最新话题,但是水本身具有价格低廉,简单易得,并且潜热较高等特点,仍然是许多研究人员善于采用的介质。本文以人体汗液蒸发现象为原型,采用了水分蒸发散热的方法来给芯片降温,与传统水冷不同的是,水分的传导方式与人体排汗系统类似,采用新型Coolmax导湿纤维,利用其独特的四沟槽结构大量的吸水、传导水分到芯片表面,而水分由液体变为气体的过程中发生相变,利用相变潜热,将热量散发出去。 由于芯片制作工艺的需要,晶体管主要集中在芯片中心区域,导致热量集中,因此,芯片表面温度的分布呈中间高,四周低的方式分布。针对于芯片内部的温度分布,本文采用加热带、铜铝合金、保温材料等制作了模拟了芯片的受热过程;利用导热硅胶为基体,将导湿纤维一端固定于芯片表面,纤维另一端则汇集插入输水瓶,从其中吸水,由此搭建了实验平台。 通过控制不同的条件,研究了这种仿真蒸发冷却方式的降温效果和影响因素。结果表明:这种散热方法比普通风冷散热方法散热效果更加明显,降温速度快,降温程度大,可以维持芯片在较低温度环境下工作。将风冷散热与蒸发散热复合,可以进一步提高散热效果。


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