Прикладные исследования микроканального охлаждения в IGBT

Микроканальное охлаждение — это травление микроканалов на подложке.Тепло уносится рабочим телом, протекающим по микроканалу после прохождения через подложку.Это эффективный метод охлаждения, который имеет большие перспективы развития в области охлаждение электронного компьютерного чипа, аэрокосмической и других областях.С тех пор, как эта концепция была выдвинута, она широко интересовала ученых в стране и за рубежом, но механизм теплопередачи микроканалов относительно сложен и до сих пор не выяснен.Для изучения перспектив применения технологии микроканального охлаждения в области терморегулирования микроэлектронных устройств были проанализированы и оценены существующие исследования.

1. Структура размера микроканала

Критерии различения макро- и микроканалов — очень важная тема.Это не только влияет на структуру канала теоретических исследований, область применения корреляции и т. д., но также имеет важное руководящее значение для выбора и обработки размера канала в практических приложениях.Ранние ученые провели множество исследований различий между микроканалами и обычными каналами.KANDLIKAR дает диапазон диаметров различных типов каналов в зависимости от гидравлического диаметра.Однако в отчете THOME указано, что не совсем разумно различать микро- и макромасштабы только на основе размера канала, но при этом необходимо учитывать свойства жидкости.Потому что есть много параметров, которые изменяются и влияют на поток по мере уменьшения диаметра канала.Чтобы отличить микроканалы от обычных каналов, некоторые исследователи выдвинули разные стандарты определения микроканалов.

Метод разделения, основанный на гидравлическом диаметре канала, показан в таблице 1. Этот метод разделения был предложен LEE и KANDLIKAR et al.Этот стандарт всесторонне рассматривает применение теплообменников и технологии механического производства в то время и дает соответствующие ссылки.

При кипении в потоке порог перехода от макроканала к микроканалу еще не стал общепринятым стандартом.Некоторые ученые обобщили экспериментальные данные по двухфазному течению микроканалов (100 мкм ≤ D ≤ 4,2 мм) и различных тестовых жидкостей (деионизированная вода, FC-72, H2O, R11 и др.).На основе анализа соответствующих исследований делается вывод о том, что порог от макромасштабного канала к микромасштабному каналу связан с диаметром выхода пузырьков и агрегацией пузырьков, а также с определением границы между макромасштабным и микромасштабным каналом. в микромасштабе необходимо учитывать предел пузырьков.С точки зрения силы отрыв пузырьков при кипении потока в трубке определяется поверхностным натяжением и плавучестью.Некоторые ученые предложили метод деления с использованием числа ограничений (Co, Confinement Number).Число Co представляет относительную величину поверхностного натяжения и силы тяжести в канале.При Со > 0,5 характеристики теплообмена и течения существенно отличаются от наблюдаемых в больших каналах.Поэтому Co > 0,5 можно считать эталоном деления микроканалов.Этот метод деления с указанием предельного числа Co является типичным представителем метода деления микроканалов, судя по анализу силы пузырьков, и предлагается на основе определенных экспериментальных условий.Стандарты, полученные в разных экспериментальных условиях, различаются, поэтому они обычно используются в качестве эталона для теоретических исследований в аналогичных экспериментальных условиях.

В настоящее время в области промышленных приложений распространено мнение, что каналы с гидравлическим диаметром D ≤ 1 мм можно назвать микроканалами.

Структура микроканала оказывает большое влияние на характеристики теплопередачи микроканала.Разумная геометрия микроканалов является ключом к улучшению теплопередачи.Ученые провели множество исследований микроканальных структур, включая различные способы изготовления микроканалов, режимы течения, характеристики перепада давления и характеристики теплопередачи в различных структурах каналов.

Начиная с самой ранней предложенной структуры параллельных многоканальных кремниевых каналов, люди изучали структуру и форму различных микроканалов, чтобы улучшить их характеристики теплопередачи.Что касается формы поперечного сечения микроканалов, ученые исследовали микроканалы с такими формами поперечного сечения, как круглая, треугольная, прямоугольная и трапециевидная, и проанализировали характеристики рассеивания тепла при различных формах поперечного сечения.Было обнаружено, что разница в форме поперечного сечения оказывает большое влияние на эффективность рассеивания тепла.В дополнение к поперечным сечениям правильной формы ученые также изучали структуры неправильной формы, такие как вогнутый микроканал в поперечном сечении, который называется BCT (технология скрытых каналов).Изготовлены по технологии обработки скрытых каналов на кремниевой подложке.Глубина и ширина канавки составляют 75 мкм и 5 мкм соответственно, что обеспечивает новый путь для потока жидкости в микроканале.Некоторые ученые предложили новый тип микроканала с вогнутыми Ω канавками на боковой стенке с геометрическим размером 200 мкм × 253 мкм.Каналы не связаны друг с другом.Экспериментальные результаты показывают, что микроканалы с канавками могут способствовать зарождению пузырьков и значительно увеличивать критический тепловой поток.Это помогает смягчить нестабильность быстрого роста пузырьков и облегчает нестабильность кипения жидкости.Некоторые ученые разработали возвратно-пористый микроканал с Ω-образными микроканалами с использованием технологии спекания порошка, которая называется RPM (reentrantporous microchannels).Гидравлический диаметр 786 мкм.Эксперименты показывают, что структура может значительно улучшить характеристики теплопередачи микроканального однофазного и двухфазного потока и может снизить нестабильность двухфазного потока.Некоторые ученые провели трехмерный численный анализ и оптимизацию параметров канавок боковой стенки микроканала и получили трапециевидную канавку с отношением длины концов канавки 0,5.Микроканал с коэффициентом глубины канавки 0,4, коэффициентом шага канавки 3,334 и коэффициентом направления канавки 0 имеет наилучшие характеристики теплопередачи и минимальное сопротивление потоку.Чтобы улучшить поток внутри микроканала и улучшить характеристики теплопередачи, исследователи также разработали множество микроканальных теплообменников с различными формами канала потока, такими как гофрированная форма, форма штифтового ребра, цилиндрическое наклонное ребро, ступенчатое ребро, двойное ребро и т. д. , Микроканальный теплообмен, такой как многослойные и микроканальные теплообменники с небольшими полостями и т. д. Ученые также провели исследования некоторых проточных каналов специальной конструкции и обнаружили, что использование некоторых проточных каналов специальной структуры может иметь эффект увеличения теплопередачи. .Например, совершенствуется линейный микроканал и предлагается волновой микроканал прямоугольного сечения.Результаты однофазного моделирования показывают, что волнообразный микроканал может генерировать вихревые токи, улучшать коэффициент конвективной теплопередачи и иметь меньший перепад давления, чем линейный микроканал.Это исследование также показывает, что относительное изменение амплитуды вдоль направления потока не оказывает большого влияния на компактность и эффективность микроканала.Уменьшение длины волны волнового микроканала позволяет сделать распределение температуры оборудования более равномерным и снизить генерацию локальных перегревов.Три типа пористых взаимосвязанных сетей микроканалов были изготовлены путем спекания медного порошка и электроэрозионной обработки проволоки.В ходе испытаний сделан вывод, что пористый взаимосвязанный микроканал диаметром 0,4 мм обладает лучшими показателями теплопередачи и способностью снижать нестабильность двухфазного потока.Кроме того, некоторые ученые разработали топологию бионических микроканалов, такую ​​как топология микроканалов листовых жилок, топология дерева трахеи человека, топология паутины, структура речной сети, сотовая структура и структура жилок крыльев насекомых.

По результатам численного расчета, по сравнению с прямоугольным чипом, за исключением структуры речной сети, топологическая структура каждого биомиметического микроканала обладает большей теплоотводящей способностью, чем обычный прямоугольный плоский микроканал.А с увеличением плотности теплового потока чипа разница в способности рассеивания тепла различных микроканальных структур становится более очевидной.Следовательно, при использовании чипов с высокой плотностью теплового потока топология микроканалов оказывает большое влияние на эффект рассеивания тепла чипа.Согласно экспериментам было обнаружено, что структура паутины имеет такие преимущества, как большая удельная поверхность рассеивания тепла, высокий средний коэффициент конвективной теплопередачи и хорошие характеристики потока жидкости.Его всесторонние характеристики рассеивания тепла оптимальны, а перепад давления на входе и выходе ниже, что имеет хорошую ценность для инженерного применения.

Обширные исследования микроканальной структуры продемонстрировали превосходный потенциал рассеивания тепла и широкие перспективы развития технологии микроканального охлаждения, а также заложили прочную основу для дальнейшей популяризации и применения последующей технологии микроканального охлаждения.В дополнение к структуре размера, изменение фазы жидкости в канале также является одним из важных факторов, влияющих на способность микроканала рассеивать тепло.В зависимости от того, изменяется ли фаза жидкости или нет, микроканальную технологию можно разделить на два типа: микроканальное однофазное охлаждение и микроканальное проточное кипящее (двухфазное) охлаждение.Далее будут рассмотрены и проанализированы существующие исследования однофазных и двухфазных микроканалов.

2. Микроканал Sоднофазный Cохлаждение Tтехнология

Однофазное охлаждение означает, что охлаждающая среда остается в одном и том же состоянии (обычно жидком) на протяжении всего процесса охлаждения, без кипения или конденсации.По сравнению с обычным однофазным охлаждающим устройством (системой) микроканальное однофазное охлаждающее устройство (система) имеет большую площадь теплопередачи и микромасштабный эффект при том же объеме, а общая производительность рассеивания тепла выше. .Можно видеть, что вода находится в центре внимания однофазных микроканальных экспериментальных исследований.В настоящее время возлагаются большие надежды на применение технологии микроканального охлаждения в области охлаждения электронных микросхем.Поэтому во многих экспериментальных исследованиях электронные микросхемы непосредственно используются в качестве источников тепла для анализа характеристик теплопередачи микроканальных радиаторов.Длина большинства протестированных в экспериментах микроканалов находится в диапазоне 10-20 мм.

Напротив, исследований модульных модулей IGBT немного.Общий размер модуля корпуса IGBT относительно велик по сравнению с компьютерными электронными микросхемами.Обычно необходимо проектировать микроканалы длиной более 50 мм, что неблагоприятно для однофазного охлаждения.Поскольку более длинный канал вызовет большую разницу температур между входом и выходом, это может увеличить риск теплового разгона модуля в корпусе IGBT из-за неравномерной температуры.Это проблема, которую нельзя игнорировать, когда технология микроканального однофазного охлаждения применяется для управления температурой IGBT.Некоторые ученые проводили исследования по этому вопросу, например, разработали встроенный микроканальный радиатор жидкостного охлаждения с испарительной камерой для мощных IGBT с целью повышения однородности температуры микроканального однофазного охлаждения.Интегрируйте микроканальный радиатор с испарительной камерой.Путем сравнения встроенного микроканального радиатора с простым микроканальным радиатором подтверждается превосходная комплексная производительность встроенного микроканального радиатора.Это дает важную информацию о применении микроканальных однофазных охлаждающих радиаторов для управления тепловым режимом мощных IGBT.

3. Технология микроканального проточного кипячения (двухфазная) охлаждения

Проточное кипящее (двухфазное) охлаждение в основном представляет собой метод охлаждения, при котором тепло отводится за счет поглощения теплоты фазового перехода при кипении потока жидкости.Опираясь на характеристики теплопередачи при кипении потока и микромасштабный эффект микроканалов, охлаждение при кипении потока в микроканалах имеет преимущества компактной конструкции радиатора, сильной теплопередающей способности, высокого коэффициента теплопередачи, хорошей однородности температуры и меньшего заряда рабочей жидкости..Использование микроканального проточного охлаждения с кипением является одним из превосходных потенциальных решений для уменьшения большой разницы температур между входом и выходом при однофазном охлаждении.Ниже приведены некоторые результаты прикладных исследований микроканального проточного охлаждения в области теплового управления IGBT.С целью изучения микроканального теплообмена при кипении в условиях большого размера и высокой плотности теплового потока модуля IGBT было экспериментально исследовано влияние различных направлений нагрева на микроканальный теплоотвод при кипении с R134a в качестве охлаждающей среды.Результаты исследований показывают, что в микроканале существует два механизма теплообмена: пузырьковое кипение и вынужденное конвективное кипение.Эффективность теплопередачи нижнего нагрева лучше, чем у верхнего нагрева.При этом массовый расход жидкости в канале и плотность теплового потока поверхности нагрева оказывают существенное влияние на температуру стенки микроканала и коэффициент теплопередачи.В исследовании также обобщается модифицированная корреляция теплопередачи на основе экспериментальных данных, которая позволяет точно предсказать коэффициент теплопередачи при нагреве верха со средней ошибкой 16,6%.Некоторые ученые создали экспериментальные системы охлаждения с мощностью естественной циркуляции и мощностью с принудительной циркуляцией, подходящие для модулей IGBT.Рассмотрены пусковые и теплообменные характеристики микроканальной системы охлаждения с естественной циркуляцией, особенности и закономерности проточно-кипящего теплообмена R134a в микроканале, трансформация схемы течения R134a и трансформация механизма теплообмена в исследованы микроканалы.Структура микроканала была оптимизирована на основе экспериментальных данных и теоретических исследований.В настоящее время имеется несколько связанных исследований по применению микроканального охлаждения кипящим потоком для рассеивания тепла в модулях IGBT.Отсутствуют исследования конструктивного исполнения микроканального проточного теплоотвода с кипящим теплоотводом с увеличенным размером конструкции для модуля IGBT, большей длиной канала, фактическим эффектом рассеивания тепла и выбором массового расхода при различных тепловых потоках. плотности.Фактическое влияние микроканального охлаждения кипящим потоком на эффект рассеивания тепла и улучшение однородности температуры модуля IGBT требует дальнейших исследований и проверки.

Хотя существует несколько исследований по применению кипения микроканального потока в областях, связанных с рассеиванием тепла IGBT, ученые провели обширные исследования механизма теплопередачи и факторов, влияющих на характеристики теплопередачи при кипении микроканального потока, и достигли определенных результатов исследования.

Теплопередача при кипении в микроканальном потоке более сложна, чем теплопередача в однофазном потоке, и на нее влияет множество факторов.Направление исследований широкое, включая эволюцию схемы течения теплопередачи при кипении, динамику пузырьков, теплопередачу при кипении и характеристики теплообмена, исследование надежности теплообмена и устойчивости течения.Теплопередача при кипении связана с взаимодействием пузырьков с жидкостью.Внутри канала существуют разные схемы течения, и разные схемы течения будут напрямую влиять на эффект теплопередачи на поверхности микроканала, что создает большие проблемы для изучения механизма теплопередачи.На теплообмен при кипении потока в каналах регулярного масштаба влияют два основных механизма.Одним из них является доминирующий механизм пузырькового кипения, связанный с образованием пузырьков на поверхности стенки и динамикой пузырьков.Другой - это механизм с преобладанием конвекции, связанный с проводимостью и конвекцией через пленку жидкости.Существующие результаты исследований характеристик теплопередачи микроканалов показывают, что теплопередача при кипении потока в микроканалах также оказывает влияние на эти два механизма теплопередачи.Преобладающий механизм пузырькового кипения сильно зависит от теплового потока, тогда как преобладающий конвективный механизм сильно зависит от массового расхода.Совместное действие двух механизмов делает характеристики теплообмена при проточном кипении очень сложными.В дополнение к микромасштабному влиянию большинства традиционных корреляций теплопередачи при кипении потока недостаточно для прогнозирования теплопередачи при кипении потока в микромасштабных каналах.Сложно получить единое описание механизма теплообмена при различных рабочих телах, различных структурах каналов и различных режимах течения, и необходимы дальнейшие исследования.Обобщены результаты экспериментальных исследований микроканального проточного кипящего охлаждения.Ученые провели большое количество экспериментальных исследований с разными рабочими жидкостями, разным количеством каналов и разными условиями работы.Закон обеспечивает прочную экспериментальную базу.

В целом, большая часть текущих исследований направлена ​​на изучение механизма теплопередачи в качестве основной цели.Многие ученые изучали характеристики теплообмена и механизм кипения микроканального потока при равномерном нагреве.Однако разница между сценой равномерного нагрева и сценой неравномерного нагрева, такой как модуль IGBT, приводит к тому, что характеристики теплопередачи соответствующего теплоотвода с кипящим потоком с микроканальным потоком, и факторы, которые необходимо учитывать при проектировании, могут быть разными.Более того, сложность механизма теплообмена при микроканальном проточном кипении пока не позволяет сделать убедительных и однозначных выводов.Характеристики теплопередачи при кипении микроканального потока различны для разных рабочих тел, разных структур каналов, разных сценариев применения и условий эксперимента.В то же время при проектировании рассеивания тепла модуля IGBT не только уделяется внимание однородности температуры между внутренними микросхемами, но также необходимо учитывать взаимосвязь между распределением температуры различных микросхем и относительным расположением входного и выходного отверстий. разумная длина микроканала и частичное высыхание жидкости в микроканале.явления и другие вопросы.Решение этих проблем станет ключом к дальнейшей популяризации и применению микроканального проточного кипящего охлаждения в области терморегулирования IGBT-модулей.