【儀表網 研發快訊】微機電加工技術的進步和堆疊封裝趨勢導致芯片內部熱點集中的問題愈加突出，諸如數據中心、航空航天、雷達和高性能計算等領域內的器件功耗不斷升高，局部熱流密度甚至可超過1 kW/cm2。當前商用的風冷技術散熱極限約1-10 W/cm2，無法保障高熱流密度的電子器件的性能及運行可靠性。此外，為滿足日漸嚴苛的冷卻需求，風冷設備的電力消耗也在不斷增加。以數據中心為例，我國2019年耗電量約占全社會用電量的0.8% – 1.0%，預計2030年將增長到1.5% – 2.0%，其中冷卻耗能約占一半。為達成“雙碳”目標，降低冷卻耗能帶來的碳排放量，創新低能耗、高效率的冷卻技術具有重要意義。
歧管微通道(Manifold microchannel,MMC)因其冷卻能力強、泵功率消耗低，已成為微通道冷卻領域的研究熱點。相比常規的微通道冷卻，MMC具有流動均勻性好、壓降損失小的特點。嵌入式冷卻，是將微通道直接集成于FPGA、GaN等大功率芯片內部以直接移除熱量的冷卻方式，可以有效減少封裝材料熱阻以及界面熱阻的影響。基于微通道內的擾流結構可以通過破壞邊界層和加強流體混合來改善傳熱的理論，研究所傳熱傳質中心提出在微通道內增加分流板的嵌入式復合MMC。研究表明，芯片加熱面的溫升為60 ℃時，復合MMC的冷卻能力可達2500 W/cm2。在消耗相同泵功的前提下，復合MMC的熱阻比同尺寸MMC最多可降低43.2%，即對分流板的優化設計可有效提升復合MMC的綜合性能。研究人員通過計算冷卻性能系數(即熱流密度與泵功密度之比，Cooling Coefficient of Performance,COP)，進一步驗證了復合MMC是更為節能、高效的冷卻方案。例如，當熱流密度為1500 W/cm2 時，復合MMC的冷卻性能系數超過 10000，比2020年發表于Nature中的《Co-designing electronics with microfluidics for more sustainable cooling》提及的嵌入式微流體冷卻方案提升了259%。
上述工作相關研究成果發表在流動換熱領域內的TOP期刊Applied Thermal Engineering，影響因子6.0，被引次數已超10次。
圖1 綜合性能優于以往研究MMC
圖2 與常規MMC對比熱阻降低43.2%
圖3 分流板結構改善流場與溫度場
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