[发明专利]一种基于入口发展特性的微通道最小热阻结构优化方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子设备技术领域，涉及一种基于入口发展特性的微通道最小热阻结构优化方法。

背景技术

随着微电子技术和超大规模集成电路技术在航天、通信、生物、光电子等行业领域的应用，电子设备正在朝向微型化、高集成度、大功率等方向迅速发展。但是同时，高集成度、大功率引起的微电子器件高温失效越来越严重，热设计和热控制成为微电子技术发展与突破的关键问题。

微电子设备失效的主要原因是由于微处理器芯片的主频和集成度越来越高，导致单位容积内芯片功耗过高，产生高热流密度问题引发的热失效。据统计，电子产品的失效有55％都是因为长期过热或在不均匀热应力的作用下而引发的故障或失效。目前，热流密度呈越来越高的趋势，上世纪70年代，集成电路芯片的热流密度约为10W/cm²；80年代时增加到20-30W/cm²；90年代后，热流密度已达到100W/cm²以上。而在一些高热流密度电子设备中，如半导体激光器、卫星设备等，局部热流密度可达103W/cm²。

由于微电子设备的高集成度限制了其散热空间，同时其对温度十分敏感，一般电子器件工作温度应在130℃以下。随着温度的升高，电子设备的失效率呈指数增加。统计资料表明，当电子设备的温度在70～80℃以上时，如果每增加2℃，其可靠性就会下降10％。电子器件的发热问题已严重影响着其可靠性，功率器件的热设计已成为电子设备结构设计中不可忽略的一个重要环节，良好的热设计不仅是保证电子设备运行稳定可靠的基础，也是其可靠性增强、单位容积功率增加以及集成度提高等问题的解决关键。

电子设备热设计是指对电子设备的耗能器件或系统采用合适的冷却技术和结构设计，通过控制它们的温升来保证电子设备或系统能够正常可靠地工作。电子设备的冷却与一般的冷却不同，不仅需要冷却效率高，还有低噪音、轻质、冷却均匀、稳定性好等要求。

随着电子设备(尤其是高热流密度的微电子设备)发热量的不断增加，传统的自然散热已不能满足其散热要求，发展新型高效的微电子机械冷却技术及基于电子设备热设计的强化传热研究已成为国际传热学界的研究热点，越来越受到重视。

由于微电子器件尺寸较小，集成在其上的微通道换热器的长度也受到限制，此时流动入口段长度在通道内的比例较大，入口效应对工质流动及换热的影响就变得十分显著。

现有的微通道结构优化设计的方法往往忽略了入口段的影响，优化设计的结果往往不符合实际情况，给微尺度换热器设计带来困扰。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中微型换热器结构尺寸较小，流体流经的微通道长度往往不足以使换热流体达到充分发展的缺陷，提供一种基于入口发展特性的微通道最小热阻结构优化方法，在充分考虑了入口效应的基础上，提出基于流体流动入口效应特性、以最小热阻为优化目标、利用非线性整数规划方法，对微通道结构进行最优设计的方法。

其技术方案为：

一种基于入口发展特性的微通道最小热阻结构优化方法，包括以下步骤：

步骤一，采用CFD方法，研究分析微通道入口效应对流体流动的影响：在入口阶段流体流动未达到充分发展，其流动扰乱更为强烈，导致流体在入口段边界层减薄；

步骤二，采用CFD方法，研究分析微通道入口效应对换热的影响：在入口阶段流体初始被加热，同时流体温度边界层在发展，流体对流换热在入口段更为强烈，此时换热性能最好。因而换热微通道越短，整体平均换热系数越高；

步骤三，以CFD方法分析入口效应对流体流动与换热的影响为基础，考虑入口段流体流动与换热的影响因素，利用最小二乘法原理进行多元线性回归分析，推导出微通道内流体在入口发展段的换热关联式；

步骤四，通过热阻分析，传导热阻及热量热阻在质量流量和微通道结构尺寸一定时可以通过计算得到，仅需要对对流热阻进行优化分析，找到对流热阻的影响因素，并考虑制造工艺及设计限制制定约束条件；

步骤五，利用MATLAB进行编程计算，通过非线性整数规划进行求解，并在求解过程中对拉格朗日函数取二次近似，最终得到目标函数的最优解。

进一步优选，所述方法考虑微通道内流体流动入口效应对流体流动及换热的影响。

进一步优选，流体流动处于微通道入口阶段，其扰动程度更加剧烈，造成入口边界层减薄。

进一步优选，流体从微通道入口开始被加热，同时管内的温度边界层开始发展，在入口段较短区域内换热系数较大。