硅基不等宽V形微槽道强化散热平板热管及其传热特性研究

The problem of chip cooling has become the technical bottleneck limiting the application of the electronic devices. This work will study silicon based micro flat heat pipe with different wide groove for heat transfer enhancement, and analyze its characteristic of heat transfer. Firstly, we will simulate the device using the model of fluid mechanics, thermodynamics and molecular dynamics in order to determine the spatial distribution of the micro-temperature, flow sensor and heater inside and outside of the heat pipe. After optimizing the characteristic, structure, layout and fabrication process, we will make use of MEMS and microelectronics manufacturing technique to realize the proposed heat pipe integrated with the built-in temperature sensor, vapor flow sensor and heater. By means of directly measuring the stream flow and temperature's distribution inside and outside the heat pipe, a detailed analysis on the heat transfer of the pipe will be obtained from the real time work state parameters. Accordingly, we will finally develop a flat heat pipe with heat transfer enhancement facing the chip's application. To our knowledge, our presented heat pipe and method of the measurement on physical parameters inside the pipe using built-in sensor haven't been reported anywhere yet. Therefore, our project has a good innovation, and the sufficient preliminary works relating to this study will guarantee the implementation of the proposal successfully.

针对芯片散热问题已成为制约电子器件应用的瓶颈，本项目研制适于芯片应用的硅基不等宽V形微槽道强化散热平板热管。为提高热管的传热特性，利用流体力学、热力学和分子动力学模型，开展不等宽微槽道强化散热微型平板热管传热特性的理论分析及仿真计算，根据计算结果确定微型温度和流量传感器及加热器在微型平板热管内外的空间分布，完成其性能、结构及版图和制作工艺的优化设计。采用MEMS技术和微电子制作工艺，制作内置温度和汽体流量传感器的硅基不等宽微槽道平板热管，通过直接测量平板热管内部的蒸汽流量及热管内外的温度分布，从热管实时运行的工作状态参数深入分析不等宽微槽道平板热管的传热特性，据此研制面向芯片应用的具有强化散热功能的不等宽微槽道平板热管。本项目提出的不等宽微槽道结构，以及热管内制作传感器测量物理参数的研究方案，目前在国内外尚未见到相关报道，具有较强的创新性，利用前期较好的研究基础，可以保证本项目的顺利实施。

针对芯片散热问题已成为制约电子器件应用的瓶颈，研制适于芯片级应用的硅基不等宽V形微槽道强化散热平板热管。主要研究工作如下：.（1）为了提高平板微热管的传热特性，利用数值计算方法开展微槽道平板热管传热特性的理论分析。通过建立微槽道实体模型，分别给出了三种槽道结构的传热特性对比，不同工质微热管冷却效率，V形槽道结构尺寸与瞬态传热效率，微槽道数目与热管冷却速率关系。开展了微槽道平板热管的流体仿真分析，探讨了轴向槽道结构的液体流动特点，给出了微槽道中液体工质轴向流速，不等宽轴向微槽道的毛细作用力，回流液体在热端口处纵向速度。通过与等宽微槽道平板热管传热特性对比，分析了微槽道宽窄比、深宽比、槽密度、槽间距、槽道几何形状、蒸汽空间及基片尺寸等诸多问题，初步给出了不等宽微槽道平板微热管的结构参数。.（2）根据仿真结果进行了微热板的版图设计，利用MEMS和微电子技术，重点解决不等宽微槽道平板热管的制作工艺。在硅衬底上制备出等宽及不等宽微槽道热管，以及玻璃蒸汽腔体，探索了微热管的封装及热交换工质的注入工艺，初步获取了与微热管各结构单元兼容的制备工艺。.（3）为分析平板微热管的传热特性，开展了基于嵌入式系统的传感器检测系统设计，利用 Pt100 及Pt 薄膜电阻温度传感器，开发了8通道温度检测及显示系统。利用该系统分析了加热功率与热管壁面温度关系，轴向倾角与微热板传热性能关系，初步获取了微槽道热板传热特性，为微热管的深入研究提供了有利条件。