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拓扑优化在电子散热中的应用研究

尤灏  
【摘要】:随着电子芯片向小型化、集成化和低成本化发展,芯片功耗密度增大,单位面积内高热流密度问题加重,电子芯片的发热问题已成为微电子行业发展的瓶颈之一,研究表明温度过高是引起的电子元件的失效的主要原因。芯片的正常运作依赖于电子设备散热结构诸如从发热区域热输出的导热网络、平板热管和散热翅片的散热性能。本文针对电子设备散热结构优化,利用基于变密度方法拓扑优化方法对上述结构进行了优化计算:(1)进行了非均匀热源和不同形状设计区域的平面导热网络优化计算,并将平面导热网络优化推广到三维发热体的结构优化问题上。(2)将平板热管槽道换热问题类比成导热材料布置问题,对平板热管的内部槽道进行辅助设计,模拟实验表明优化结构温度场的均匀性优于普通纵横交错式网状槽道结构。(3)对流换热系数采用Logistic分类模型插值,优于通常采用的阶跃函数插值,使目标函数降低了28.7%,并提出了预设拓扑优化方法,成功应用到较长流道自然对流翅片的结构优化研究上,使基板平均温度降温5.9K。(4)基于变密度法的拓扑优化方法有灰度单元格数目的过多,造成拓扑优化结构边界模糊的问题,为解决上述问题提出了元胞自动机处理法,预设处理法和混合法,其中混合法可以保证材料的量守恒的同时,使灰度单元格数量减少了100%,多工况算例验证了该方法的有效性和适用性。


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