基于MEMS技术的不等宽镀膜微槽道平板热管传热特性研究

The problem of chip cooling has become the technical bottleneck limiting the application of the electronic devices. This work will study coated silicon based micro flat heat pipe with different wide groove for heat transfer enhancement. 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.

芯片散热问题已成为制约电子器件应用的瓶颈，本项目开展适于芯片应用的硅基不等宽镀膜微槽道平板热管的研究。利用流体力学、热力学和分子动力学模型，开展不等宽镀膜微槽道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。利用MEMS技术和微电子制作工艺，研制内置温度和汽体流量传感器的硅基不等宽镀膜微槽道平板热管，通过直接测量热管内部的蒸汽流量及热管内外的温度分布，利用热管实时运行的工作状态参数深入分析不等宽镀膜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微槽道平板热管。本项目提出的不等宽镀膜微槽道结构，以及在热管内集成温度和汽体流量传感器测量热管内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。利用前期积累的较好研究基础，可以保证本项目的顺利实施。

IC芯片集成度的快速增长导致单位面积上的热流密度急剧增加，芯片散热问题已成为制约微电子工业发展的技术瓶颈，本课题开展用于芯片应用的微型平板热管研究。.（1）不等宽微槽道平板热管传热特性仿真分析及其结构优化设计.根据 Laplace-Young方程提出不等宽微槽道平板热管的结构设计，利用FLUENT和ANSYS软件开展硅基等宽与不等宽微槽道平板热管的热分布及流体状态对比分析，采用分子动力学(MD)方法研究纳米尺度下系统温度和薄膜厚度对液-汽相变蒸发率的影响。分析结果表明，不等宽微槽道内液态工质在张力作用下形成的弯月面半径不再是一个固定数值，冷凝段的弯月面半径大于蒸发段，液态工质的弯月面半径沿轴向呈现连续梯度变化，增大了管内的汽液压力梯度，从而比常规等宽槽道热管更有利于液体回流及提高相变蒸发率。根据仿真结果，设计了多种结构参数的V形和矩形槽道微热管进行对比研究。.（2）用于微热管传热性能分析的热温差式微流量传感器结构设计及其制作.针对平板微热管体积较小、气液交换空间有限、体内温度较高的特点，利用ANSYS软件对不同形状、尺寸、位置的加热器和温度传感器进行仿真分析，并通过三维模型分析了液体沿轴向变化温度场的流动状态，设计了加热器两侧对称分布多温度传感器的热温差式流量传感器版图。采用MEMS技术在玻璃基片上制作Pt金属薄膜流量传感器，干法刻蚀技术制作硅基微槽道芯片，利用玻璃环进行三明治结构封装，自行研制的检测系统进行标定。基于测量结果进行结构优化后，研制出可用于微热管传热特性分析的热温差式流量传感器。.（3）不等宽微槽道平板微热管的传热特性. 仿真分析和试验测试结果表明：. ① 矩形槽道微热管具有更好的径向传热性能。. ② 不等宽槽道微热管对工质回流有更强的促进作用，传热性能优于等宽槽道。. ③ 硅基盖片微热管比玻璃盖片微热管具有更好的传热特性。. ④ 增加槽道深度和宽度可加强液态工质与硅基体间的热量交换，具有更好的传热性能。. ⑤ 较大尺度的蒸汽腔利于蒸发段液态工质充分汽化及移动，提高了微热管的传热性能。. ⑥ 微热管结构参数与最佳充液率相关，微热管的最佳充液率对应较高的传热特性。. 本课题的研究结果，为微槽道平板微热管的深入和实用化研究提供了较有价值的数据、方法和结论，为微结构和较高环境温度下微流量传传感器的研制提供了可借鉴的方法和数据。