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本次网络研讨会将演示如何用多孔介质代替热交换器的复杂金属板结构,以节省CPU时间并增加模拟吞吐量。

工程边缘

液体冷却技术

利用Flotherm设计大功率微电子器件的紧凑型液体冷却系统

唐公岳,雍汉Boon Long Lau萧武张还有丹尼尔·敏·伍瑞,微电子研究所,科学机构,技术和研究,新加坡

红外冷却可以提供一个简单的,低成本,有效的,以及可靠的微电子器件冷却方案。然而,随着热通量耗散的增加,目前的空气冷却技术还不足以用于新的大功率设备。当热通量超过100 W/cm2时,对于大多数应用来说,空气冷却方法已经不适用了。因此,对大功率芯片微电子器件的液体冷却技术提出了更高的要求。

液体冷却技术主要有两种模式;单相冷却和两相冷却。

考虑到两相液体冷却系统的更高的压降和复杂性,将单相液体冷却技术用于高热通量微处理器是一个有吸引力的选择。对于单相液体冷却技术,微通道和微射流散热器都可以消散高功率电子设备中的高热通量。与冲击式微射流相比,微通道冷却具有较低的平均传热系数,但微通道内的冷却液可以与较大的有效表面积(每个通道内有多个壁)进行能量交换。将这些方法组合成一个混合微冷却器将是理想的方法。

拟议的液体冷却系统包括三个主要部件:

  1. 一种硅基混合微冷器,具有多个排水微槽(MDMTS);;
  2. 定制的紧凑型液-液换热器;和
  3. 商用微型泵。

微电子芯片的紧凑型液体冷却系统如图1(a)所示。它主要由一个微冷器来去除高性能芯片的热量,用于驱动液体流动的商用微型泵,把热量从芯片传送到外部热交换器,热量被转移到二次流体中,然后被排出到周围环境中。

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图1。紧凑型液体冷却系统示意图。(a)系统的概念设计。(b)系统中的液流回路。(c)系统中的热流路。

为了最大限度地提高系统性能,在设计拟用液体冷却系统时,应考虑以下设计标准:

  1. 避免大的压降。芯片冷却侧回路的流量应保持在低水平;;
  2. 换热器应紧凑,换热效率高。或传热密度;和
  3. 它必须使换热器的热阻和压降保持在明显低于微冷器的水平。

硅基微冷却器,结合微通道和射流冲击的优点,已开发用于散热大功率集成电路芯片的热通量。图2显示了用于微通道模式的混合硅微冷却器的概念设计,喷嘴,还有MDMTs。如图2(a)所示,在拟议的MDMTS设计中,两个管沟之间各有两个喷嘴。从微射流喷嘴流出的射流撞击到顶壁上,被限制沿着微通道流动,然后从附近的排水沟中出来。

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图2。提出的混合微冷却器与MDMTS设计的示意图。(a)微通道的模式,喷嘴,还有MDMTs。(b)A-A横截面的侧视图。(c)三维等距视图。(d)C-C横截面图。

对于这项工作,这个计算流体力学使用Flotherm®进行建模和仿真,以优化微冷器设计。对于尺寸为7×7平方毫米的芯片,微型喷射阵列的设计覆盖面积为8×8平方毫米,用于冷却。喷嘴直径固定在100μm。喷嘴长度,微通道宽度,为了评价射流与壁面距离对微冷器热性能的影响,模型中采用了不同的射流与壁面距离。其他参数包括9个宽度为150μm的排水沟,16个喷嘴沿微通道方向,21个喷嘴沿排水沟方向。微冷却器中的冷却液是入口温度为25°C的水。热芯片设置175 W的热源,微冷器入口设置20千帕表压。产生了一百万个细胞的网格,并进行了网格独立性研究。筛孔数足以在1%左右获得液压和热性能的精度。喷嘴长度的影响,微通道宽度,对微冷器热性能的jtw距离为,分别如图3-5所示。

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图3。喷嘴长度对微冷器热阻的影响。
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图4。微通道宽度对微冷器热阻的影响。
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图5。结对微冷器热阻随JTW距离的变化。

选择液-液换热器是因为它具有更高的换热效率,更小的尺寸,集中管理通过设备冷却的二次液体流量,例如冷却剂分配装置。

本文研究了两种液-液换热器结构。第一个热交换器(HEX-A)在市场上可买到,具有逆流配置,并以此为基准对二次换热器(HEX-B)进行了优化设计。Hex-B是一种定制的紧凑型热交换器,代表交叉流配置,由微型通道层组成,可交替堆叠,用于冷热流体流动。Hex-A具有逆流配置,如图6(a)所示;热流体层和冷流体层交替堆叠,用金属板隔开。共有11层不锈钢(SS)层,包括顶部和底部盖板,每层厚度为1.1 mm。

这些金属层形成了十层液体通道,其中冷液五层,热液五层。Hex-A的总尺寸为204 mm长、74 mm宽、25 mm高。Hex-B采用交叉流结构设计,如图6(b)所示,热流体和冷流体堆积在其中,两种流道呈90°角布置。Hex-B的目标是具有与Hex-A相似的性能,同时具有比Hex-A更小的占地面积。利用浮质模拟了换热器内的热流分布。

图6。本文针对(a)商用换热器A(Hex-A)的逆流配置和(b)定制换热器B(Hex-B)的横流配置,研究了换热器的原理配置。

对于热交换器的冷流回路,入口流速在0.4至2 l/min之间变化,固定温度为25°C。而对于热流回路,流速固定为0.4 l/min。热交换器热流回路中的入口流量温度固定为40°C,以供案例研究。

由于雷诺数相对较小,假设为层流。生成530K网格,进行网格独立性研究。流场,压力,并通过建模和仿真得到温度;因此,不同位置的液体温度可以通过获得的温度分布图来获取。利用hex-a的性能对优化后的hex-b性能进行了基准测试。图7显示了Hex-A中温度分布的模拟结果。在这种情况下,冷、热流回路流量均为0.4L/min;冷流回路的入口流体温度为25°C,热交换器的热流回路的入口流体温度为40°C。

图7。商用换热器A内温度场的模拟结果。

通过提取换热器的传热密度来评价换热器的热效率。HEX-A的传热密度随液体流量的变化如图8所示。热流回路中的流速固定为0.4 l/min。冷流回路的入口流体温度为25°C,热流回路的入口流体温度为40°C。当流量较低时,传热密度对流量很敏感(例如,小于1 l/min)当流量较大时,对流量的敏感度较低。换热器中的压力降对冷却系统也很重要。图8还显示了HEX-A的压降随流量的变化。热流回路和冷流回路中的流量保持不变。果不其然,换热器中的压力降随着流量的增加而增加。

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图8。传热密度的变化,以及在规定条件下以hex-a为单位的压降。

为了设计紧凑的Hex-B,首先建立了以4×9通道为各流体侧的模拟模型,以20×20 mm为设计起点。为保证计算精度,在每个通道横截面上分配6×6个单元。网格数为120万个单元得到网格无关解。模拟结果如图9所示。带初始配置的Hex-B,仅在规定条件下提供约110 W的传热能力,这对于系统设计目标来说太低了。因此,进一步优化设计,提高功耗能力。

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图9。在规定条件下,通道数和Hex-B的占地面积尺寸对传热能力的影响

hex-b的优化包括:增加通道数量,脚印尺寸的增加和具有更高热导率的材料的不同。图9显示了通道数和封装尺寸对Hex-B热性能的影响。热性能随着通道数和占地面积的增加而增加。占地面积32×32mm,通道数≥15的换热器,其传热能力超过设计功率175W,达到设计目标。换热器材料类型的影响如图10所示。SS导热系数为16 W/mk,热性能会低于设计目标,这不是Hex-B的首选材料。此外,铝热交换器的热性能与铜热交换器相似。因此,由于铝热交换器重量轻,建议实际制作。

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图10。材料对Hex-B在特定条件下的传热性能的影响。

基于以上分析,优化后的换热器占地面积为32×32mm,两种流体的每排通道数均为15个。它是由铝制成的。图11显示了最终设计的HEX-B温度曲线的模拟结果。

图11。六角B型钢在规定条件下的最终设计温度场模拟结果。(a)顶视图。(b)侧视图。

为了评估HEX-B设计的有效性,比较了HEX-B与HEX-A的传热密度和压降。图12显示了在指定条件下Hex-A和Hex-B之间的传热密度比较。

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图12。在规定条件下,Hex-A和Hex-B的传热密度比较。

图13显示了在指定条件下Hex-A和Hex-B的压降比较。

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图13。在规定条件下,Hex-A和Hex-B的压降比较。

与Hex-A相比,Hex-B的传热密度更高,压力更低,确认这种紧凑型热交换器的高效性。优化的六角形B是由铝,包括热流体和冷流体的双通道。硅橡胶被用作密封圈。新制造的换热器重量为0.23kg,所有连接法兰,比Hex-A小得多,重1.20公斤。此外,新型换热器的占地面积比Hex-A小得多。如图14所示。优化后的紧凑型六角B具有较大的传热面积比和效率。

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图14。商用Hex-A和定制Hex-B封装尺寸的比较

液体冷却系统设计的另一个主要目标是通过选择泵送功率低、体积小的微泵来减小系统的压力降,从而达到系统的紧凑性。模拟和测量的压降与换热器和微冷却器中的流速的变化如图15和16所示。分别。结果表明,实验测得的压降与模拟值吻合较好。模拟结果略低于实测值(5%~10%)。

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图15。商用热交换器(HEX-A)和定制紧凑型热交换器的压力降。换热器(Hex-B)。
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图16。微冷器压力降

新设计和制造的紧凑型HEX-B的压降约为HEX-A压降的一半。也可以看出,带有微喷嘴和微通道的微冷器是整个系统压降的主要原因。占系统压降的97~99%左右。微冷却器和换热器中的系统压降比例如图17所示。这表明该系统的水力设计是有效的,换热器内的压力降已降到合理水平。

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图17。微冷器和换热器的实测压降比较。

通过提取热阻来评价整个系统的热性能。系统的一维热网示意图如图18所示。由此可见,系统对环境热阻(θja)的连接由两部分组成;第一部分是从结到微冷器(θjc)的热阻。代表微冷器的热性能,另一个代表微冷器对环境的热阻(θca)。它代表热交换器的热性能。

硅微冷器系统的设计目标是具有350 W/cm2的散热能力。相当于7×7毫米芯片上175瓦的热功率。假设系统在40°C的环境中工作,允许结温为85℃。该系统的连接至环境热阻的设计目标约为0.25°C/W。

图18。系统热阻分析示意图。

在测试中,热测试芯片的功率从50到200 W不等。测量不同芯片功率下的芯片温度,结果如图所示。19。在试验过程中,热回路的流速保持在0.4 l/min,冷回路的流速保持在2 l/min。可以看出,芯片温度随芯片功率的增加而线性上升,虽然,系统的总热阻,包括微冷却器的热阻和换热器的热阻,已获取。结果如图20所示。当冷流回路中的流量增加时,换热器的热阻降低,因此,随着冷流回路流量的增加,系统整体热阻降低。仔细检查图20,结果表明,微冷器是影响系统整体热阻的主要因素。约占总热阻的80~90%。而换热器仅占整个系统热阻的10~20%左右。此外,Hex-B的热阻略大于Hex-A的热阻。而hex-b比hex-a小得多,也轻得多。

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图19。通过LR摄像机测量不同芯片功率下的芯片温度。
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图20。热交换器的实测热阻,微型冷却器,全系统采用紧凑型六角B(功率175W)组装而成。

此外,HEX-B中的压降仅为HEX-A中压降的一半。此外,如图21所示,HEX-B的传热密度远高于HEX-A。因此,可以得出结论,对于本文的应用,HEX-B的设计比HEX-A的设计更为有效。

此外,所研制的紧凑型冷却系统能够满足175-W散热能力的设计目标,泵送功率为0.1 W。

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图21。商业热传递A和紧凑型Hex-B(功率为175W)的热传递密度测量值。

参考文献:

IEEE组件事务,包装和制造技术,卷。6,不。5,2016年5月

开发紧凑高效的液体

大功率微电子器件用硅微冷却器冷却系统,雍汉Boon Long Lau萧武张高级会员,IEEE和

丹尼尔·敏宇

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