本文介绍了一项关于堆叠微通道散热器在微电子器件液体冷却中的实验与数值研究。该研究由Xiaojin Wei（IBM）、Yogendra Joshi（乔治亚理工学院）和Michael K. Patterson（英特尔公司）共同完成，并于2007年10月发表在《Journal of Heat Transfer》期刊上。研究的主要目的是探索堆叠微通道散热器的热性能，以应对微电子器件日益增长的散热需求。
研究背景
随着微电子器件的功率密度不断增加，传统的空气冷却技术已接近其极限。液体冷却技术，尤其是微通道冷却，因其高效的散热能力而成为替代方案。微通道冷却通过减小热边界层厚度和增加传热面积与体积比来增强冷却能力。堆叠微通道散热器通过多层微通道和集管层的集成，显著降低了压力降并提高了温度均匀性。本研究旨在通过实验和数值模拟，评估堆叠微通道散热器的热性能，并探讨冷却液流动方向、流量分配和非均匀加热对其性能的影响。
研究方法
研究分为实验和数值模拟两部分。实验部分使用硅微加工技术制造了一个堆叠微通道散热器，并通过铂薄膜电阻温度探测器测量壁面温度分布。数值模拟部分则通过商业软件Fluent对堆叠微通道的耦合传热效应进行了详细分析。
实验部分
- 实验装置：实验装置包括一个微型膜片泵、去离子水循环系统、液-液热交换器和循环冷却器。通过流量计和差压传感器监测流量和压力降，使用热电偶测量进、出口水温。
- 测试模块：测试模块由五层硅片组成，包括两层微通道、两层集管和一层流体连接层。微通道和集管通过深反应离子刻蚀（DRIE）技术制造，并通过硅-硅直接键合堆叠在一起。
- 实验过程：实验从脱气过程开始，通过连续运行系统去除回路中的空气。实验过程中，控制每层的流量和功率输入，测量壁面温度分布和压力降。
数值模拟部分
- 建模方法：数值模拟采用Fluent软件，求解单相层流的质量、动量和能量守恒方程。计算域包括固体和流体区域，边界条件包括入口的均匀速度和温度、出口的出流条件以及底部的均匀热通量。
- 网格敏感性研究：通过网格敏感性研究，确定了40×120×120的网格系统，进一步细化网格对最大温度差异的影响小于0.1%。
研究结果
- 均匀加热：实验结果表明，堆叠微通道散热器的整体冷却性能优异，热阻为0.09°C/W·cm²。在测试的流量范围内，逆流布置提供了更好的温度均匀性，而并行流在降低峰值温度方面表现最佳。
- 部分加热：部分加热实验显示，上游加热比下游加热具有更好的温度均匀性和更低的峰值温度。随着流量的增加，局部加热效应加剧，热阻增加。
- 数值模拟：数值模拟结果与实验数据吻合良好，验证了模型的准确性。模拟结果显示，在低流量条件下，并行流的总热阻显著低于逆流；随着流量的增加，两种流动配置的总热阻差异减小。
结论
本研究通过实验和数值模拟，全面评估了堆叠微通道散热器的热性能。研究结果表明，堆叠微通道散热器在降低压力降和提高温度均匀性方面具有显著优势。逆流布置在温度均匀性方面表现优异，而并行流在降低峰值温度方面更为有效。研究还提供了堆叠微通道散热器的一般设计指南，为微电子器件的热管理提供了重要参考。
研究亮点
- 创新性：本研究首次通过实验和数值模拟相结合的方法，全面评估了堆叠微通道散热器的热性能。
- 实用性：研究结果为微电子器件的热管理提供了实用的设计指南，具有重要的工程应用价值。
- 科学性：通过详细的实验和数值模拟，揭示了堆叠微通道散热器的传热机制，为相关领域的研究提供了科学依据。
其他有价值的内容
研究还探讨了不同流量组合对堆叠微通道散热器热性能的影响，为优化设计提供了重要参考。此外，数值模拟部分详细分析了耦合传热效应，为进一步研究提供了理论基础。