（热能工程专业论文）基于冲击射流的电子器件冷却方法研究.pdf

摘要 当今电子器件的正向朝着高集成度、微型化、高功耗的方向发展， 其热流密度迅速提高，电子设备过热或热缺陷是电子产品失效的主要 原因之一，所以冷却问题成为制约其发展的一个瓶颈。冲击射流作为 一种独特的流动方式，具有比常规流动强得多的换热能力，是解决高 密度电子器件散热问题的颇具潜力的方案。针对以往对气体冲击射流 的研究主要是大孔径和高雷诺数的状况，本文主要研究微小孔径和中 低雷诺数空气冲击射流的换热特性及在电子器件冷却的应用，主要工 作有： ( 1 ) 系统开展了空气冲击射流换热的实验研究。构建了包含射 流发生部分、模拟芯片及温度采集部分的实验测试系统，分析了实验 测量误差，发现热沉热阻( o ) 及努塞尔数( ) 的相对误差分别o b 不超过3 4 3 和8 7 7 。通过实验研究了孔径为l m m 、2 m m 和3 m m 三种的微小孔径圆形单孔平板受限冲击射流、圆形和方形两种排布的 l m m 孔径圆形多孔受限射流及斜射流的换热特性；分析了相关参数 对换热的影响；得到了平板冲击受限射流驻点区的换热准则方程，相 同流量下的多孔冲击射流平均换热系数均小于单孔冲击射流、倾斜角 主要影响上坡部分的换热等结论。选取三组矩形柱鳍热沉进行了射流 冲击实验，分析了影响热阻的相关参数，得到其平均换热的准则方程。 实验结果表明空气冲击射流与热沉结合的散热方式较传统空冷有非 常显著的优势。 ( 2 ) 采用数值模拟的方法，对微小孔径空气受限冲击射流的传 热特性进行了深入研究。通过数值计算和实验结果的对比，发现r n g “骥型对冲击射流模拟具有最好的适用性。采用该模型，对喷嘴直 径为l 5 r a m ，雷诺数( 如) 为1 0 0 0 1 5 0 0 0 的微小孔径圆形气体受限 冲击射流及旋转射流进行了系统的数值模拟，得到了驻点区和全局换 热面上的平均努塞尔特数换热关联式。数值模拟结果表明，微小孔径 冲击射流换热表现有一定的尺度效应，有旋转时的板上平均换热系数 略小于无旋转时的板上平均换热系数，但换热更为均匀。r 3 q g 肛模 型同样适合于热沉冲击射流换热的数值模拟，通过数值计算得到了热 阻最小时热沉的肋高、列数及其几何形状参数。 ( 3 ) 研究了热沉最优化结构设计理论。将序列二次规划法( s q p ) 算法引入到热沉最优化设计中，并与数值计算方法结合起来，建立空 气射流冲击热沉最优化分析和设计的系统方法。该方法可求解含约束 的单个或多个目标函数的优化问题，解决了热沉最优化过程中缺乏最 优化理论指导的不足。将热阻和压降组合构成多目标函数，当权重系 数各为0 5 时，得到了一个8 x 8 结构的方柱柱鳍热沉优化后的鳍片宽 度为4 16 r a m 、高度1 9 o m m 和基板厚度3 7 3 m m 。 ( 4 ) 进行了空气射流在电子器件冷却的应用研究及分析和评价。 以f c b g a 芯片为冷却对象，建立其简化传热模型，采用热型线法对 冲击射流散热方式进行了分析。计算结果表明，当r p 分别为4 0 0 0 、 8 0 0 0 和1 2 0 0 0 时，单孔射流直接冲击换热面的散热方式存在一定的 局限性，而采用冲击射流与热沉相结合，较没有加装热沉前芯片功率 增加了11 8 8 、11 6 7 和1 2 3 5 ，微小孔径空气射流冲击热沉的方 法可直接用于中低功率的高密度封装器件的冷却。 本文的结论为冲击射流应用于电子器件冷却提供了系统的理论 和实验依据，具有比较重大的理论意义和实际价值。 本文工作得到了国家自然科学基金项目( n o ：5 0 3 7 6 0 7 6 ) 的资助。 关键词：冲击射流，电子器件，冷却，数值模拟，序列二次规划法 i i a b s t r a c t t h ec o o l i n go fg e n e r a l l yc o m p l e xe l e c t r o n i cs y s t e m sh a sb e c o m eat o u g h c h a l l e n g ea n dad e v e l o p m e n tb o t t l e n e c ki n d e e d ，r e s u l t i n gf r o mt h ec o m b i n e de f f e c t s o fi n c r e a s i n gh i g h - p o w e r , h e a tf l u x e s ，m i n i a t u r i s a t i o na n dt h es t r i v i n gf o rz e r od e f e c t s e l e c t r o n i ce q u i p m e n to v e r h e a t i n go rt h e r m a ld e f e c th a sb e c o m eam a j o rr e a s o nf o r e l e c t r o n i cp r o d u c t s f a i l u r e t h ej e ti m p i n g e m e n th e a tt r a n s f e rh a sb e c o m ew e l l e s t a b l i s h e da sah i g hp e r f o r m a n c et e c h n i q u ef o rc o o l i n gc o m p a r i n gw i t hn o r m a lh e a t t r a n s p o r tm e t h o d s i th a sb e c o m eav i a b l ec a n d i d a t ef o rh i g h - p o w e r e de l e c t r o n i c c o o l i n gs o l u t i o n s n u m e r o u ss t u d i e sh a v e b e e nc o n d u c t e dt oi n v e s t i g a t e t h ea i r i m p i n g i n gj e tu n d e r c o n d i t i o no fl a r g ea p e r t u r ea n dh i g hr e y n o l d sn u m b e r h o w e v e r ， a i rj e tc o m i n gf r o mt i n yd i a m e t e rc i r c u l a rj e ta n di m p i n g i n go nt h eh e a tt r a n s f e r s u r f a c ew i t hm i d d l ea n dl o wr e y n o l d sn u m b e ra n di t sa p p l i c a t i o nt oc o o l i n g e l e c t r o n i c sw e r es t u d i e di nt h i sp a p e r t h em a i nw o r k sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) h e a tt r a n s f e r o fa i r i m p i n g i n gj e t h a sb e e ns t u d i e d b ye x p e r i m e n t s y s t e m a t i c a l l y t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mw a sc o n s t r u c t e d w h i c hc o n t a i n so fj e t g e n e r a t o r , s i m u l a t i v et e s tc h i pa n dt e m p e r a t u r ea c q u i s i t i o np a r t t h ee x p e r i m e n t a l m e a s u r e m e n te r r o rw a sa n a l y z e da n dd i s c o v e r e dt h a th e a ts i n kt h e r m a lr e s i s t a n c e ( 包6 ) a n dn u s s e l tn u m b e r ( n u ) ，r e s p e c t i v e l y , t h er e l a t i v ee r r o rn o te x c e e d i n g3 4 3 a n d 8 7 7 h e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fc o n f i n e ds i n g l ei m p i n g i n gj e tw i t ht h r e es m a l l c i r c u l a rd i a m e t e rw h i c hi slm m ，2 m ma n d3 m m ，a n dm u l t i p l eje t sw i t ha r r a n g e m e n t s o fc i r c u l a ra n ds q u a r ew h i c he v e r yi e ti sc i r c u l a ra n dd i a m e t e ri s lm mw e r e e x p e r i m e n t a ls t u d i e d m a n yp h y s i c a la n dg e o m e t r i cp a r a m e t e r sw e r ec h a n g e d t o i n v e s t i g a t et h e i ri n f l u e n c eo nh e a tt r a n s f e r h e a tt r a n s f e rc r i t e r i ae q u a t i o no fc o n f i n e d i m p i n g i n gj e ti ns t a g n a t i o nr e g i o na n da v e r a g et r a n s f e rc o e f f i c i e n to fm u l t i - j e t si sl e s s t h a nt h es i n g l ei m p i n g i n gj e tw i t ht h es a m ef l o wf l u x ，h e a tt r a n s f e ro ft h ep l a t eu p h i l l p a r tv a r i e dm a j o rw i t hj e ta n g l ew e r ec o n c l u d e d e x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e dt o i n v e s t i g a t et h et u r b u l e n tf l u i df l o wa n dh e a tt r a n s f e r f r o mt h r e ep i n - f i nh e a ts i n k g e o m e t r i e s w i t ha i ri m p i n g e m e n tc o o l i n g r e s u l t sf o rt h ea v e r a g eh e a tt r a n s f e r c o e 伍c i e n tw e r ec o r r e l a t e di nt e r m so fr e y n o l d sn u m b e ra n dg e o m e t r i cp a r a m e t e r so f t h eh e a ts i n k s p a r a m e t e r si n f l u e n c i n gt ot h e r m a lr e s i s t a n c eo fh e a ts i n kw e r ea n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o do fa i ri m p i n g i n gj e tc o m b i n i n gw i t h h e a ts i n kh a sav e r ys i g n i f i c a n ta d v a n t a g ei nc o m p a r i s o nw i t h t h et r a d i t i o n a l 1 i i a i r 。c o o l i n g ( 2 ) ad e t a i l n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d yo fh e a tt r a n s f e rd u et oc o n f i n e d i m p i n g i n gs m a l lc i r c u l a rj e tw a sp r e s e n t e d n u m e r i c a lc o m p u t a t i o n sw e r ep e r f o r m e d b yu s i n gs e v e r a ld i f f e r e n tt u r b u l e n c em o d e l s t h en u m e r i c a lr e s u l t sb a s e do nt h er n g k - - et u r b u l e n c em o d e ls h o w e dr e a s o n a b l ea g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t af o r l o c a lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n td i s t r i b u t i o n s t h ec o n f i n e da i ri m p i n g i n gj e t sw i t h n o z z l ed i a m e t e rf r o mlm mt o5 m m ，r e y n o l d sn u m b e rf r o m10 0 0t o15 0 0 0a n d s w i r l i n gi m p i n g i n gj e tw i t ht i n yn o z z l ew e r es y s t e m a t i c a l l ya n dn u m e r i c a l l ys i m u l a t e d w i 也r n gk - em o d e l n u s s e l tn u m b e rc o r r e l a t i o n si nb o t hs t a g n a t i o nr e g i o na n dt h e w h o l eh e a tt r a n s f e ra r e aw e r eo b t a i n e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a th e a t t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h et i n yn o z z l ei m p i n g i n gj e tr e p r e s e n t ss c a l ee f f e c t s ， a v e r a g eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fs w i r l i n gje ti m p i n g e m e n ti sl e s st h a nt h a tw i t h o u t s w i r lv e l o c i t ya n dh e a tt r a n s f e ro nt h es u r f a c eb e c o m eu n i f o r m r n gk - em o d e li s a l s os u i t a b l ef o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fh e a ts i n k si m p i n g e m e n t m i n i m i z i n gt h e r m a l r e s i s t a n c eo fp i n f i nh e a ts i n k sf o ri m p i n g e m e n tw a ss t u d i e d t h e s ec a l c u l a t i o n st o o k i n t oc o n s i d e r a t i o nd e s i g np a r a m e t e r si n c l u d i n gf i nh e i g h t ，t h en u m b e ro fr o w sa n d g e o m e t r i c a ls h a p e ( 3 ) at h e o r e t i c a lm e t h o d o l o g yo fo p t i m i z a t i o nt h eg e o m e t r yo ft h ep i n - f i nh e a t s i n kw a sp e r f o r m e dn u m e r i c a l l y t h em e t h o d o l o g yw a si n t e g r a t e db yt h ec f da n d m a t h e m a t i c a lo p t i m i z a t i o nm e t h o dc a r r i e do u tb ym e a n so ft h es e q u e n t i a lq u a d r a t i c p r o g r a m m i n g ( s q p ) w h i c hi sw i d e l yu s e di nt h ec o n s t r a i n e dn o n l i n e a ro p t i m i z a t i o n p r o b l e m t h ef l o wa n dt h e r m a lf i e l d sa r ep r e d i c t e du s i n gc f d t h i sm e t h o dc a r ls o l v e t h ec o n s t r a i n t sw i t ht h es i n g l eo rm u l t i p l eo b j e c t i v ef u n c t i o no p t i m i z a t i o np r o b l e m s t h e d e s i g no p t i m i z a t i o no ft h e8 x8p i n f i n sh e a ts i n ki sp e r f o r m e d t h ef i nh e i g h t ， f i nw i d t h ，a n db a s e m e n tt h i c k n e s sa r ec h o s e na st h ed e s i g nv a r i a b l e sa n dt h ep r e s s u r e d r o pa n dt h e r m a lr e s i s t a n c ea r ea d o p t e da st h eo b j e c t i v ef u n c t i o n sa n dm i n i m i z e d s i m u l t a n e o u s l y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i m u md e s i g nv a r i a b l e sf o rt h ew e i g h t i n g c o e f f i c i e n to f0 5a r ea sf o l l o w s ：f i nw i d t hi s4 1 6 m m ，f i nh e i g h ti s19 o m ma n d b a s e m e n tt h i c k n e s si s3 7 3 m m ( 4 ) t h ea i ri m p i n g i n gj e tf o re l e c t r o n i cc o o l i n ga p p l i c a t i o ni s s t u d i e d a s i m p l i f i e dh e a tt r a n s f e r m o d e lo ff l i p c h i pb g ap a c k a g i n gw a sb u i l tu p t h e i m p i n g i n gj e tc o o l i n ge f f e c tw a sa n a l y z e db yt h e r m a lp r o f i l em e t h o d w h e nr ei s 4 0 0 0 ，8 0 0 0a n d12 0 0 0r e s p e c t i v e l y ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc o o l i n ge f f e c to f t h es i n g l ej e ti m p i n g i n go nt h es u r f a c eo ft h ec h i pi sl i m i t e d t h ea i rje ti m p i n g i n go n i v h e a ts i n ki sb e t t e ra n dt h ec h i pp o w e ri n c r e a s e s11 8 8 ，11 6 7 a n d1 2 3 5 r e s p e c t i v e l y a i rj e ti m p i n g i n gt oh e a ts i n kc a nb ed i r e c t l ya p p l i e dt oc o o l i n go f h i g h h e a t f l u xe l e c t r o n i cp a c k a g i n gw i t hm i d d l ea n dl o wp o w e r t h eo b j e c t i v eo ft h ep r e s e n ts t u d yi st op r o v i d eap h y s i c a li n s i g h ti n t oh e a tt r a n s f e r e f f e c t sa n dt of a c i l i t a t et h ev a l i d a t i o no fe l e c t r o n i c sc o o l i n g t h er e s e a r c hc o n c l u s i o n s i nt h i sp a p e rp r o v i d eas y s t e m a t i ct h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lb a s i sf o ri m p i n g i n gj e t c o o l i n gu s e di ne l e c t r o n i c sa n dh a v es i g n i f i c a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e t h i sw o r kw a ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 5 0 3 7 6 0 7 6 ) k e y w o r d s ：i m p i n g i n gj e t ，e l e c t r o n i c s ，c o o l i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s q p v 一面积，m 2 c r 热沉肋片宽间距，m 玉卅嘴直径，r n d r 一热沉肋片宽度，m 7 l - 频率，h z 凰一热沉基板厚度，m ，卜族热系数，w m - 2 k j g ，_ 格拉晓夫数 缸一马赫数 n u 平均努塞尔数 p 压力，p a 圪初始压力，p a p r _ 嘈朗特数，p r = y a q f 删总功率，w r 热流密度，w m 五 胎雷诺数，u o d v p - 琐嘴的面积，m 2 弘_ 韫度，k 正换热板表面的局部温度，k “o 气流出口速度，m s 。1 希腊符号 户_ 韫度膨胀系数，k g m 3 k 。1 热沉热阻，k 、矿1 卜湍动能，m 2 s 之 p 流体密度，k g m 。 a 乎热系数，w m - 1 k 。1 ，卜f i ；流粘度，m 2 s 。1 缈非负的权重值 符号表 v i i i c l 一电容，f c 广热沉热沉肋片厚间距，m d 换热面定型尺寸，r n d 、一热沉肋片厚度，m 搀喷射距离，m 研一热沉肋片高度，r n h 平均换热系数，w m - 2 k 。1 o 硼沉基板长度，m m 卜_ 努塞尔数，h d 2 n u 。广驻点区努塞尔数 厶尸l 压降，p a 尸热沉中平均压力，p a 9 一流量，m 3 h 1 ：功率，w q f 。散失的功率，w ； 尺神击壁面半径，r n 卜_ 轻向距离，m 卜- 琐嘴之间的距离，m 瓦城体喷嘴出口处温度，k z 乙，厂金属封盖中心点温度，k 弘一电压，v 乒一击角，r a d ；失效率 口。接触热阻，k w _ 卜湍动能耗散率，m 2 s 弓 d 运动粘度，m 2 s 一 ，卜- 动力粘度，k g m s d 吐卜一比耗散率，s _ 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者繇纽嗍孚年月乒日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根 据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：( 圭篮左导师签名 日期：= l 年三月乒日 博士学位论文第一章绪沦 第一章绪论 11 课题研究的背景和意义 随着电子技术的发展，电子与信息技术在国民经济的各个领域以及人们的只 常生活中所起的作用越来越重要。然而，电子与信息对人类的贡献是要通过其载 体，即电子器件所承担的。随着电子与信息技术的高速发展作为其核心部件的 电于器件也目新月异。人们对信息技术需要的迅速增长，就要求电子器件的容量 越来越大并且速度越来越快，而且要求电子器件的尺寸越来越小如今电子器 件的微型化已经成为现代电子设备发展的主流趋势。电子封装器件作为这一技术 的物理承载，也从最开始的单晶管依次经历了小规模( s s i ) 、中规模( m s l ) 、太规 模( l s i ) 、超大规模( v l s i ) 和巨大规模( g l s i ) 五个时代的发展川。纵观其发展历程 可以发现存在下面三个方面的趋势： ( 1 ) 集成度越来越高 关于电子封装器件集成度的描述，业界存在一条著名的摩尔定律”j 其内容 为芯片上品体管的数量每1 8 到2 4 个月就会增加一倍。这条定律自1 9 6 5 年提出 之后到5 0 年后的今天仍然在一定程度b 置用。 ( 2 ) 工作频率越来越高 工作频率是汁算机运算速度的重要标志。随着对训算机运算速度要求的提 高，其核心的工作频率也以一种近似指数规律的速度不断提高，罔j - l 给了i n t e l 公司台式机用奔腾系列c p u 的工作频率变化图。 图卜1i n t e l 奔腾c p i j 工作频率变化图 图卜2i n t e l 奔腾c p o 工作电压变化围 ( 3 ) 工作电压有下降趋势 螂舯埘鲋舯帅嘣 博士学位论文第章绪论 众所周知，在计算机中任何数据、信息的处理都是通过对“1 ”和“0 ”两个数码 的操作来实现的，它们分别对应于高、低两种电平。其中的高电平即为微处理器 的工作电压。在微电子技术的发展历程中，电子封装器件的工作电压有着下降的 趋势，从i n t e l 公司生产的奔腾系列微处理器工作电压的变化中( 见图l 一2 ) 可以 明显地看出这种趋势。需要指出的是这种工作电压的下降是有限度的。如果工作 电压过低，高、低两种电平的区分就会变得很困难，低电平加上某些噪声信号之 后就很可能被认为是高电平，这样系统的运行稳定性和可靠性就会受到影响。因 此，工作电压不可能持续降低，这从图l 一2 中电压下降趋势的逐渐减缓可以看出。 电子器件的微型化就必然要求芯片的集成度、封装度以及工作频率的不断提 高，这样就不可避免地使芯片的热流密度迅速提高，例如：c p u 芯片的发热量 已由几年前的l o w 增加到当前的7 0 , - - 一，8 0 w ，甚至超过i o o w ，其透过散热器基 板传导的热流密度高达1 0 3 、w m 2 1 0 5 w n 1 2 ，芯片级的热流密度可高达 1 0 0 w c m 2 。功率增加，体积缩小，热密度急剧上升，并且由于电子设备的使用 环境温度的不断扩展，从而使电子设备的温度迅速增高。 高温会对电子器件的性能产生有害的影响，譬如过高的温度会危及半导体的 结点，损伤电路的连接界面，增加导体的阻值和形成机械应力损伤 3 1 。实验与研 究表明，单个半导体元件的温度每升高1 0 0 c ，系统可靠性将降低5 0 ，超过5 5 的电子设备的失效是由于温度过高引起的【4 5 】。为保证电子器件正常有效的工作， 必须将电子器件工作时产生的大量热量及时带走，保证器件的内核与表面温度维 持在相对较低的水平。电子器件使用温度的降低不仅可以更好地发挥其性能，而 且能够产生可观的经济效率，因而对电子器件散热的研究就成为国内外学者竞相 研究的课题。 对于电子器件的散热设计要求散热手段具有紧凑性、可靠性、灵活性、高散 热效率、不需要维修的特点，从而为现代传热技术在电子冷却领域的应用提出了 新的课题。本研究课题正是基于这种要求，将空气冲击射流应用于高密度电子器 件的冷却，以解决其过热及失效的问题。 1 2 电子器件的散热要求 要研究电子器件的散热，首先需要了解热量的产生规律。现在大部分的电子 封装器件中的硅片都是由c m o s ( c o m p l e m e n t sm e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ，互 补型金属氧化物半导体) 工艺制成。c o m s 芯片的主要能耗分为静态功耗和动态 功耗。通常情况下，静态功耗与动态功耗相比可以忽略不计，动态功耗基本上决 2 博士学位论文 第一章绪论 定了总功耗。单个晶体管的动态功耗可以采用下式计算【4 】： q = c v 2 f ( 1 1 ) 式中，c 为晶体管电容负载，f ；v 为工作电压，v ：厂为工作频率，h z 。 根据式( 1 1 ) ，单个晶体管的功耗与其电容负载、工作电压的平方以及工作 频率成正比。整个电子封装器件的总功率要在式( 1 1 ) 的基础上乘以晶体管的 个数，再乘以一个与晶体管使用率有关的修正系数。根据1 1 节关于电子封装器 件发展趋势的讨论可知，单个芯片上集成的晶体管数、芯片的工作频率都是以一 种近似指数规律的速度增长的，芯片的工作电压虽然有下降的趋势，但下降的速 度和空间都比较小。因此，单个芯片的总功耗是不断增加的。从图1 3 中关于i n t e l 公司c p u 功耗变化图中可以明显地看出这一趋势。 图1 - 3i n t e l 公司c p u 功耗变化趋势图 桑 薯 眠 1 0 01 1 01 2 01 3 01 4 01 5 0 站点温度， 图1 - 4 芯片失效率与结点温度关系曲线 ( 参考温度为1 0 0 c ) 随着电子封装器件发热功率的不断增大，其冷却技术越来越成为制约其发展 的一个瓶颈。如果没有良好的冷却技术，芯片内部的温度会越来越高。而芯片的 工作温度是影响其可靠性、工作寿命的重要因素。芯片工作温度与其失效率可以 采用下式来描述【4 1 ： 见= 岳一p ( 警) ( 万1 一；) 2 ， 式中，9 为失效率；皖为无量纲失效率：t 为结点绝对温度，k ；乃为参考 温度，k ；a e 为活化能，e v ；k 为波尔兹曼常量，8 6 1 6 x 1 0 一e v k 。 图1 4 为根据式( 1 - 2 ) 绘制的曲线图。从图中可以看到，当参考温度为1 0 0 o c ，活化能在0 6 0 8 之间时，结点温度升高2 5o c ，失效率将增大5 “倍。因此， 采用有效的散热手段，严格控制芯片的工作温度是非常必要的。 1 3 电子器件的冷却方式 o o 1 1 m ， 玑 譬_，-备 博士学位论文 第一章绪论 芯片技术发展对高性能冷却的迫切要求与实际应用的广阔市场空间，使得对 极高热流密度芯片、微系统的散热冷却研究一直成为非常重要而又活跃的研究领 域，电子器件的冷却在国外也发展成为一个专门的行业。由美国国防部高级项目 规划署资助的h e r e t i c 项目计划就旨在发展可与高密度高性能的电子或光学器 件相集成的固态和流态的散热器件。该项目已历时2 0 余年，有关课题分布在几 十所大学和国家研究机构，经费资助总额高达2 5 0 0 万美元。其资助内容集中在 四个方向：1 、核心技术( 包括异质结构热电离子致冷、热电致冷、相变、合成 微喷、微流道等研究) ：2 、集成与封装：3 、建模与模拟：4 、实证演示。美国联 邦政府的其它机构包括海军研究办公室( o n r ) 、能源部( d o e ) 以及n s f ，n a s a ， n s a 等也对这一类研究进行了大范围资助，同时半导体工业界在该方向的研究 应用上也投入了大量财力，内容包括：设计“冷”的芯片( 降低功耗、平均分布 热量、减少热点等) 、对冷却方案的自主研究开发以及对相关冷却技术的风险投 资。学术界、工业界对芯片冷却这一主题的广泛研究使得相关的学术活动非常活 跃，人们在研究的基础上还建立了一批致力于芯片冷却应用技术的公司，如m m r ， c o o l c h i p s ，c o o l i g y 等。而美国很多大学也成立了相应的研究中心，以促进相应 研究技术向应用转化。 电子器件的热设计包括选择合适的冷却方法，布置冷却剂流型及方向以及排 列封装内的电子部件等。比较成熟的冷却方法主要有以下几类：1 ) 自然冷却技 术：2 ) 强迫空气冷却技术；3 ) 液体冷却技术：4 ) 相变冷却技术；5 ) 其他冷却 技术( 如热管，冷板等) 。从冷却方式上看，电子器件冷却可分被动及主动式冷却 两种。前者的特点在于元件温度始终在环境温度以上，没有制冷机构，而后者则 一定包含用以获取较低温度的制冷机构，从而可以将元件温度降至一个低于环境 温度的水平上。毫无疑问，后者更有利于提高元件的工作性能，但其可靠性可能 低于前者，并且需要更多的能耗，因而向环境排放的热量也就更多，而这部分热 量最终还是需要采用被动式散热的方式排放到环境中。表l 一1 为芯片冷却方式的 分判6 l ，在这里，散热可被认为是被动式的，制冷及低温制冷则是主动式散热， 它们的区别只是在于冷却温度水平上的不同。 从表1 1 中可以看出，各种芯片冷却方式均有其特点及使用范围。就各种主 动式冷却方式来说，虽然它能将温度降到室温以下，但都具有系统复杂、成本高、 可靠性较低等缺点，只适宜在某些高端产品中使用；而空冷( 特别是空气强迫对 流冷却) 作为一种成熟、经济、可靠、安全的散热方式还将长期存在，特另q 是在 一些中、低端产品中还将广泛应用。但是，传统的气体强迫对流冷却，已经走到 了它散热能力的极限1 7 1 ，如计算机运行大型软件时产生热尖峰现象导致死机等 4 博士学位论文 第一章绪论 现象。且随着散热风扇功率的不断加大，噪声问题也愈显突出并日趋严重。几种 常见散热方式的优缺点见表l 一2 。 表1 1 芯片冷却方式的分类 在所出现的传统散热方式的替代方案中，一般认为冲击射流和热管技术是其 中最有前途的两种散热方式。热管是利用相变来强化换热的散热技术，其概念最 早由c o t t e r 8 】提出。随着技术的提高，大规模的工业生产，热管技术必将成为将 来的主流散热方式【弘1 1 j 。而冲击射流散热方式则拥有比传统的强迫对流大的多的 散热能力，它亦被认为是一种解决高密度电子封装器件的散热问题的一种颇具潜 力的方式。冲击射流与其它散热方式的结合将使得散热能力大大加强，从而有望 在一定时期内解决电子行业散热能力不足的问题。本文主要是在这方面进行了深 博士学位论文第一章绪论 风冷 结构简单。价格低廉( 相较其它散热 不能将温度降至室温以下，有噪 散热方法) ，安全可靠、技术成熟。音，风扇寿命有时间限制。 1 4 空气冲击射流及其数值模拟研究概述 1 4 1 冲击射流及其研究方法 冲击射流是指流体介质从一狭小区域喷射到一较大空间，然后冲击到固体壁 面的流动方式。按照喷嘴形式可分为狭缝冲击射流和圆形冲击射流：按照介质类 型可分为气体冲击射流、液体冲击射流和多相冲击射流；按照其受限程度可分为 受限冲击射流和非受限冲击射流。圆形气体受限冲击射流示意图如图1 5 所示。 高速气流从直径为d 的圆形喷嘴喷出后，冲击到固体壁面上，然后沿冲击壁 面流出。其流场按流动特性可以分成三个特征区域： ( 1 ) 自由射流区( f r e ej e tr e g i o n ) ，又称主射流区( m a i nj e tr e g i o n ) ，该区的流 动特性与自由射流相同： ( 2 ) 驻点区( i m p i n g e m e n tr e g i o n ) ，在该区，流动方向发生改变，并且有很高 的压力梯度； ( 3 ) 壁面射流区( w a l lj e tr e g i o n ) ，在该区压力逐渐恢复为静压，流动逐渐接 近于平行壁面。 冲击射流这种流动方式最大的特点是高速气流冲击到壁面上，致使被冲击壁 6 博士学位论文第一章绪论 面附近具有比普通壁面平行流动薄得多的速度边界层。而速度边界层的层流底层 是对流传热热阻的主要来源，即层流底层的厚度直接决定了对流换热的强弱。因 此，冲击射流具有很薄的边界层，因而具有很强的换热能力，是一种非常有潜力 的解决目前高热流电子器件散热问题的强化传热方案。 隆习 、，。 小删 。 y j - 一孑哲 笤 ， y ，jr 誓7 ，、，1 ll。 图卜5 圆形受限冲击射沉示意图 冲击射流作为一种高效的换热方式，很早以前就为人们所关注，到目前为止 已在造纸、炼钢、玻璃制品加工、汽轮机叶片冷却、食品加工等众多领域得到了 广泛应用【1 2 j 引。一直以来都有很多学者对其换热规律进行了广泛的研究。冲击射 流虽然边界条件很简单，但动力学结构非常复杂，可能包含有自由剪切流、壁面 剪切流、边界层分离流等多种复杂流动特征，单纯的通过理论分析来获得其流动 和传热的分析解是非常困难的。因此主要采用的研究方法有两种：实验研究和数 值模拟。 在过去的几十年中，有很多学者对冲击射流进行了广泛的实验研究，研究的 内容也包括各个方面。从受限程度来看，包括非受限和受限射流：从流体介质来 看，包括空气、水、各种制冷剂、油类，近年来还出现了一些关于磁流体和多相 介质冲击射流的研究报道；从射流结构上来看，包括圆形射流，平面射流，倾斜 射流以及多孔射流；从研究的参数来看，包括结构参数、物性参数、流动参数等； 从研究侧重点来看，包括流场动力学研究和传热传质研究。通过这些研究，人们 对冲击射流有了一定深度的认识。但由于不同研究者采用了不同的实验条件，研 究结论的通用性受到影响，有时甚至出现相互矛盾的结论。因此，实验研究还是 存在较大的局限性。 数值模拟作为一种近代发展起来的认识事物规律的方法，与实验研究相比具 博士学位论文 第一章绪论 有理想性、经济性、以及较高的可靠性而备受学者及工程技术人员的青睐。到目 前为止已发展成实验研究与数值模拟各执半壁江山的局面，在某些领域后者的应 用广度和深度甚至超过了前者。对于冲击射流这样一种有着复杂流动传热特性的 流动类型，数值模拟无疑一种较好的研究方法。它可以消除各种非理想边界条件 带来的误差，从而纯粹地分析某种或某些参数的影响，进而可靠地认识冲击射流 的流动换热规律。通过查阅过去关于冲击射流数值模拟研究的