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仪表网 研发快讯】微机电加工技术的进步和堆叠封装趋势导致芯片内部热点集中的问题愈加突出，诸如数据中心、航空航天、雷达和高性能计算等领域内的器件功耗不断升高，局部热流密度甚至可超过1 kW/cm2。当前商用的风冷技术散热极限约1-10 W/cm2，无法保障高热流密度的电子器件的性能及运行可靠性。此外，为满足日渐严苛的冷却需求，风冷设备的电力消耗也在不断增加。以数据中心为例，我国2019年耗电量约占全社会用电量的0.8% – 1.0%，预计2030年将增长到1.5% – 2.0%，其中冷却耗能约占一半。为达成“双碳”目标，降低冷却耗能带来的碳排放量，创新低能耗、高效率的冷却技术具有重要意义。
歧管微通道(Manifold microchannel,MMC)因其冷却能力强、泵功率消耗低，已成为微通道冷却领域的研究热点。相比常规的微通道冷却，MMC具有流动均匀性好、压降损失小的特点。嵌入式冷却，是将微通道直接集成于FPGA、GaN等大功率芯片内部以直接移除热量的冷却方式，可以有效减少封装材料热阻以及界面热阻的影响。基于微通道内的扰流结构可以通过破坏边界层和加强流体混合来改善传热的理论，研究所传热传质中心提出在微通道内增加分流板的嵌入式复合MMC。研究表明，芯片加热面的温升为60 ℃时，复合MMC的冷却能力可达2500 W/cm2。在消耗相同泵功的前提下，复合MMC的热阻比同尺寸MMC最多可降低43.2%，即对分流板的优化设计可有效提升复合MMC的综合性能。研究人员通过计算冷却性能系数(即热流密度与泵功密度之比，Cooling Coefficient of Performance,COP)，进一步验证了复合MMC是更为节能、高效的冷却方案。例如，当热流密度为1500 W/cm2 时，复合MMC的冷却性能系数超过 10000，比2020年发表于Nature中的《Co-designing electronics with microfluidics for more sustainable cooling》提及的嵌入式微流体冷却方案提升了259%。
上述工作相关研究成果发表在流动换热领域内的TOP期刊Applied Thermal Engineering，影响因子6.0，被引次数已超10次。
图1 综合性能优于以往研究MMC
图2 与常规MMC对比热阻降低43.2%
图3 分流板结构改善流场与温度场
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