基于PCB工艺的嵌入式微流道热沉及其热交换能力

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随着微电子行业制造工艺的提高,板上芯片等电子器件朝着集成化、微型化的方向发展。伴随这一趋势的是芯片等电子器件的发热量持续增加,若不将这些热量及时散走,将对器件甚至整个系统造成影响。因此,散热问题已经成为目前微电子领域的首要问题。目前针对电子器件的散热方式中,大部分是通过外加散热器,具有体积较大、重量大且与板上器件难以集成等缺点。微流道热沉(Microchannel heat sink,MCHS)由于具有比表面积大、换热能力强、容易与系统集成等优点,极具发展前景,因此本文将结合微流道热沉,对板上散热展开研究。针对上述问题,本文提出并实现了用于板上芯片等电子器件散热的基于印制电路板(Printed circuit board,PCB)工艺的嵌入式微流道热沉的原理与结构。本文的主要研究工作和研究成果主要包括:(1)提出并研究了用于芯片等电子器件散热的基于PCB工艺的嵌入式微流道热沉的工作原理与结构。对微流道热沉的换热能力进行了分析,建立了微流道热沉的热阻模型,对比了有镍层与无镍层时微流道热沉的热阻,结果表明镍层提高了热传导和与流体的对流换热强度,从而降低了整体热阻,镍层加入后,微流道热沉有较强的散热能力。(2)采用有限元法研究了流-固-热耦合物理场下,流道长度、槽宽、肋宽等结构参数对嵌入式微流道热沉散热性能的影响,并对所设计的矩形结构(TypeⅠ)、矩形分段结构(TypeⅡ)、S型结构(TypeⅢ)和具有六边形集液区的矩形结构(TypeⅣ)的换热性能和流动性能进行了分析,TypeⅠ在换热方面具有最好的性能,TypeⅣ在流动方面具有最好的性能。(3)研究了集成于PCB板上的嵌入式微流道热沉的加工工艺。采用PCB工艺得到FR4衬底,然后机械加工、电镀和焊接完成整个嵌入式微流道热沉的组装。(4)对微流道热沉散热性能进行了实验测试与分析。对四种结构散热性能和压降进行了测试,TypeⅠ结构表现最好,TypeⅣ结构最差,最后引入了热性能系数,在考虑传热和流动的情况时,TypeⅠ结构仍然表现出最好的性能。本文的研究工作有利于推动对芯片等电子器件散热技术的发展,为实现板上散热提供了新的思路。
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