3D-IC层间复杂结构微通道内气液两相流动及沸腾换热特性研究

With the rapid development of 3D-IC technology, international heat transfer academics have begun to meet new challenges, namely the development of the interlayer cooling technology of 3D-IC. The current international research on interlayer microchannels cooling technology of 3D-IC is still in its infancy, while about flow and boiling heat transfer characteristics in 3D-IC with complex microchannels interlayer cooling is rarely reported. Despite a large number of studies related to the complex structure microchannels provide a lot of valuable information for 3D-IC interlayer microstructure design. But it is unclear whether these results are suitable for the flow and heat transfer in more complex 3D- IC. There are many issues need to be clarified by further study. Therefore, this project intends to conduct in-depth theoretical and experimental research of gas-liquid two-phase flow and boiling heat transfer in the complex structure microchannels for 3D-IC interlayer cooling. The purpose is to study a series of parameters on the flow and boiling heat transfer characteristics, such as the shape and size of complex mirochannel, heating modes, heat flux, fluids properties, fluid velocity and flow distribution, etc. Explore the means to enhance heat transfer, suppress the flow instability and fluid flow distribution inequality at the same time. The results will be used to optimize design of 3D-IC interlayer cooling.

随着3D-IC技术的快速发展,国际传热学界已经开始着手迎接新的挑战，即发展3D-IC的层间冷却技术。当前国际上对3D-IC层间微通道液体冷却技术的研究尚处于起步阶段，而关于3D-IC层间复杂结构微通道内流动沸腾换热特性的研究更是少有报道。尽管已有大量有关复杂结构微通道的研究结果为3D-IC层间微结构设计提供了很多有价值的信息，但是人们尚不清楚这些结果是否适用于流动与换热情况更为复杂的3D-IC，很多问题需要通过深入研究予以澄清。为此，本课题申请拟对3D-IC层间复杂结构微通道内气液两相流动及沸腾换热特性进行深入的理论和实验研究。研究复杂微通道结构型式及尺寸、加热方式、热流密度、流体性质、流体流量及分配方式等一系列参数对流动与沸腾换热特性的影响规律；在探索强化换热手段的同时，解决流动不稳定性和流体流量分配不均等问题，进而指导带有层间复杂换热微结构的3D-IC优化设计。

随着工业技术的飞速发展，在能源动力、航空航天、信息通讯、微电子技术、超级计算机等工程技术领域，具有低功耗、高速率、低延迟、低噪音等特性的三维集成电路（3D-IC）成为备受关注的焦点。芯片的堆叠使得其功耗密度成倍的增大；此外，由于连接上下层电路的绝缘介电层的低热导性，这将导致芯片出现热量集中、局部温度过高、甚至高温失效等问题。所以，迫切需要研发针对3D-IC的散热解决方案。为此，本项目针对3D-IC层间复杂微通道对流换热问题，采用实验、模拟与理论结合的方法，从通道结构、散热器布局、多层芯片堆叠几个方面研究其对流动与换热性能的影响，为3D-IC设计提供研究基础。主要包括以下几方面工作：首先优化设计了多种型式微结构散热器，研究了进出口布局方式及微通道结构型式对微结构散热器流体分配均匀性及换热性能的影响规律；然后设计加工了多种PDMS流场可视化实验件、硅基单面加热和双面加热实验件，同时搭建了流场可视化实验系统、微尺度单相流动换热实验系统、微尺度流动沸腾可视化实验系统，分别进行了流场可视化、单相流动与换热、气液两相流动与沸腾换热的理论与实验研究；最后根据3D-IC各层间散热特点及流量分配要求，对3D-IC层间微结构、流体引入方式等进行优化，研究了微通道布局、微通道结构、流体流量等参数对3D-IC层间流动与换热特性的影响规律。研究结果表明：①锯齿形、凹穴型、针肋型、凹穴内肋组合型等复杂结构微散热器，增强了流体混合，可有效强化换热；②两进两出的进出口布局与复杂结构微通道组合，可强化换热、降低流动阻力，同时提高散热表面温度分布均匀性；③微尺度流动沸腾的流型、不稳定性、传热系数、临界热流密度受入口方式、微结构型式、运行参数等影响；带有限制入口的三角凹穴微通道散热器降低了沸腾起始点，抑制了沸腾不稳定性，提高了临界热流密度；④层间冷却可实现3D-IC高效散热，微针肋和凹穴型复杂结构微通道均能强化换热，通过优化通道尺寸和通道布局，可有效均衡各层散热量，同时降低流动阻力。