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芯片中的高功率密度問題已成為制約芯片性能提高的瓶頸之一。硅基微通道散熱器（Si-MCHS）可以引導(dǎo)冷卻流體靠近芯片結(jié)，顯著提高冷卻能力。由于芯片功耗的快速變化，了解Si MCHS的流動(dòng)和傳熱性能，特別是其動(dòng)態(tài)傳熱性能至關(guān)重要。
最近，華中科技大學(xué)能源學(xué)院團(tuán)隊(duì)利用光刻、刻蝕等工藝制作了Si MCHS，并對(duì)其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。研究發(fā)現(xiàn)，Si-MCHS的溫度響應(yīng)過程反映了一階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)或零輸入響應(yīng)。當(dāng)功耗突然變化時(shí)，熱響應(yīng)可以在4秒內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)溫差（ΔT）的90%，在1秒內(nèi)達(dá)到50%ΔT。提高泵速會(huì)顯著縮短響應(yīng)時(shí)間，而不同的功率階躍變化對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響最小。該團(tuán)隊(duì)根據(jù)Si-MCHS的流動(dòng)和傳熱性能制定了一種分級(jí)流量控制策略，實(shí)現(xiàn)了有效的流量控制。該研究題為“Experimental Study on Dynamic Flow and Heat Transfer Performance of Silicon-Based Microchannel Under Variable Thermal Load”，已發(fā)表在熱力學(xué)與流體力學(xué)領(lǐng)域國際權(quán)威期刊《International Journal of Heat and Fluid Flow》該文的******作者為華中科技大學(xué)碩士研究生李美勇。該文所用到硅基微通道為安徽中鼎玉鉉新材料科技有限公司制作。
文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0142727X24003886?dgcid=author
圖1顯示了Si-MCHS的結(jié)構(gòu)和尺寸。在硅基板上，刻蝕有直徑為625微米、高度為300微米的銷釘鰭片。這些銷釘鰭片以交錯(cuò)模式排列成11行11列。將石英玻璃蓋板與硅基板粘合，形成流動(dòng)通道。使用陶瓷加熱器來模擬尺寸為10×10×1毫米3的芯片。基于芯片封裝結(jié)構(gòu)，在陶瓷加熱器和Si-MCHS之間有一層厚度為100微米的熱界面材料(TIM)層。
圖2展示了制造的Si-MCHS。圖2(a)顯示，硅晶片的未刻蝕區(qū)域呈現(xiàn)出類似金屬的光澤。圖2(b)說明銷釘鰭片具有良好的垂直度，上表面光滑，中間和下部有明顯的刻蝕痕跡，這是由于刻蝕氣體和等離子體在刻蝕深度增加時(shí)引起的側(cè)向刻蝕的結(jié)果。圖2(c)顯示了刻蝕底部表面上有許多刻蝕的微坑，由于漫反射，這些微坑呈現(xiàn)出灰白色。圖2(d)展示了石英玻璃與硅基板之間的粘合是有效的，粘合界面對(duì)齊良好，硅與石英玻璃之間的粘合緊密。總的來說，Si-MCHS已經(jīng)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
這篇文章制造了Si-MCHS，并構(gòu)建了一個(gè)配備實(shí)時(shí)信號(hào)采集、流量調(diào)節(jié)等功能的測試裝置。對(duì)Si-MCHS的靜態(tài)和瞬態(tài)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。此外，基于Si-MCHS處理熱源時(shí)泵工作模式、熱交換熱阻和摩擦因子的模式，設(shè)計(jì)了一種流量分級(jí)控制策略。
隨著泵速的增加，Qv、Vin、Vmax呈線性增加；ΔPSi-MCHS基本上隨著泵速的增加而指數(shù)增長；摩擦因子先是快速下降，然后隨著泵速的增加而緩慢下降。
實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)功耗突然增加或減少時(shí)，Theater的響應(yīng)過程是一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)或零輸入響應(yīng)。Si-MCHS具有快速的響應(yīng)速度，Theater基本上可以在4秒內(nèi)達(dá)到90%的ΔT，并且在1秒內(nèi)可以達(dá)到50%的ΔT。增加泵速將顯著縮短響應(yīng)時(shí)間。
圖4 在突然的功耗變化期間，Theater 達(dá)到不同ΔT百分比所需的時(shí)間。
總之，文章主要闡明了Si-MCHS的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程和響應(yīng)速度，制定的流量控制策略與Si-MCHS的流動(dòng)和熱傳遞性能相符，為基于硅的微通道芯片的集成冷卻提供了重要的參考。
