综合报告

研究基本信息

本文题为《A hybrid microchannel heat sink with ultra-low pressure drop for hotspot thermal management》，发表于 International Journal of Heat and Mass Transfer 第211卷（2023年），文章编号124201。文章的主要作者为 Xixin Rao、Cheng Jin、Haitao Zhang、Jianhao Song 和 Chengdi Xiao，作者所属机构包括南昌大学先进制造学院（School of Advanced Manufacturing，Nanchang University）和上海海立电器有限公司研发中心（Shanghai Highly Electric Co., Ltd.）。本文于2023年1月29日收到初稿，4月4日完成修改，4月13日接受发表，并于4月26日在线发布。

研究背景

本研究领域属于微通道热沉（microchannel heat sink）与热点热管理（hotspot thermal management）的交叉学科。近年来，随着摩尔定律推动处理器上晶体管数量的指数增长，电子器件的内部热通量不断上升，在超大规模集成电路（VLSI）中甚至可达到 (10^3 \sim 10^4 \, \text{W}/\text{cm}^2)。传统的自然和强迫空气冷却方式，其冷却能力已低于 (100 \, \text{W}/\text{cm}^2)，无法满足高热通量电子设备的散热需求。

微通道热沉因其紧凑结构、高传热效率和低噪音的优点，被认为是一种最有前景的高功率密度芯片散热技术。然而，在高性能芯片中热通量分布并不均匀，核心区域中的热通量密度可能显著高于芯片其他区域，这些区域被称为“热点”（hotspot）。热点和背景区域间的显著散热差异会导致较大的温度梯度，从而引发热应力及其他可靠性问题。本研究提出了一种创新的混合式微通道热沉（hybrid microchannel heat sink, IM-HM heat sink），旨在解决上述关键问题。

研究目标

本研究旨在设计一种具有超低压降（ultra-low pressure drop）的混合式微通道热沉，以提高热点区域的散热性能，同时降低整机能耗，并提升温度分布均匀性。

研究流程

步骤一：设计热沉几何模型

本文采用了混合式微通道热沉（IM-HM heat sink）的设计，与传统矩形微通道热沉（RM heat sink）进行对比。IM-HM 热沉包括四部分：顶盖板、框架、微通道和针鳍（pin fins）。其中，冷却液从位于热点正上方的中心入口进入，通过针鳍和微通道后，从两侧矩形出口排出。微通道高度和入口圆角斜切（chamfer angle）被作为关键参数优化。

步骤二：数值方法与边界条件

为了分析微通道内的流体流动及传热特性，研究采用了 CFD（计算流体动力学） 模拟工具 Fluent，计算使用的模型包括层流模型和 k-ε 湍流模型。计算假设冷却液为去离子水（deionized water），热沉材料为硅（silicon），入流温度设为300K，热点区域施加 (300 \, \text{W}/\text{cm}^2) 的热流量，背景区域施加 (50 \, \text{W}/\text{cm}^2) 的热流量。此外，为提高计算效率，采用了四分之一对称模型。

步骤三：模型验证

IM-HM 热沉的模拟结果通过与已发表文献的实验数据和数值结果进行比对，验证了数值方法的准确性。例如，最大温度和压力降等结果皆呈现较好的一致性。

步骤四：重点实验与性能评估

为了系统地研究 IM-HM 热沉的性能，作者主要通过以下变量进行分析： 1. 雷诺数（Reynolds number）：范围为200至1000； 2. 微通道高度（microchannel height）：从500至1500微米； 3. 入口圆角斜切（chamfer angle）：从0到500微米。

评估指标包括最大温度（(T\text{max})）、温度差异（(\Delta T)）、压力降（(\Delta P)）及总热阻（(R\text{tot})）。

研究结果

性能对比：IM-HM vs. RM

1. 压力降：IM-HM 热沉的压力降显著低于 RM 热沉。采用相同质量流量时，IM-HM 热沉的压力降减少了51.8%（(Re = 200)）和4.4%（(Re = 1000)）。
2. 最大温度：IM-HM 热沉的热点温度较 RM 热沉少40.0%（(Re = 200)）和47.5%（(Re = 1000)）。这一差异主要归因于冷却液直接接触热点，提高了局部换热能力。
3. 温度均匀性：IM-HM 热沉的温度差显著降低。热点区域的温差仅为10.9K或更低（当(Re = 200)），而 RM 热沉的温差高达41.9K。IM-HM 热沉在整个底面上的温度梯度也比 RM 热沉更平缓。

关键参数的影响

1. 入口圆角斜切：当增加圆角至500微米时，不同雷诺数下的压力降减少高达63.4%。然而，较大的圆角稍微提高了最大温度和温差（增加约1.4-3K）。
2. 微通道高度：增加微通道高度可显著降低压力降（最高降低72.3%）。但随高度增加，最大温度线性升高（增加2.4-3.6K），温差也相应增大。

综合优化：结合优化入口圆角（500微米）和微通道高度（1500微米）后，IM-HM 热沉在性能上具显著优势。在(Re = 200)时，其压力降仅为 RM 热沉的1.6%，而温差减少至17.7K。

应用价值

1. 节能性：优化后的 IM-HM 热沉相比 RM 热沉，可减少98.4%的能耗来达到相同的冷却效果。
2. 高热功率芯片的适用性：IM-HM 热沉特别适用于具有热点的单核高功率密度芯片。此外，该设计理念也可扩展至多核芯片热管理。

研究意义与亮点

1. 本研究提出了一种具有超低压降且高效的混合式微通道热沉，为解决热点散热问题提供了新的技术途径。
2. 该研究优化了入口流体分布和散热结构设计，成功降低了压力降和能耗，同时显著提升了温度均匀性。
3. 研究中系统分析了关键结构参数的影响，为微通道热沉的设计提供了全面的参考。

结论与未来研究方向

本文研究表明，IM-HM 热沉在降低压力降、提升热点散热效率和均匀性方面表现出色，为高功率密度电子器件的热管理提供了重要解决方案。然而，目前的研究主要局限于单热点条件，未来需要拓展至多热点和多核场景，以更广泛地应用于复杂电子设备的热管理系统。