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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的流動和傳熱性能，特別是其動態(tài)傳熱性能至關重要。
最近，華中科技大學能源學院團隊利用光刻、刻蝕等工藝制作了Si MCHS，并對其靜態(tài)和動態(tài)性能進行了實驗測試。研究發(fā)現(xiàn)，Si-MCHS的溫度響應過程反映了一階系統(tǒng)的階躍響應或零輸入響應。當功耗突然變化時，熱響應可以在4秒內(nèi)達到穩(wěn)態(tài)溫差（ΔT）的90%，在1秒內(nèi)達到50%ΔT。提高泵速會顯著縮短響應時間，而不同的功率階躍變化對響應時間的影響最小。該團隊根據(jù)Si-MCHS的流動和傳熱性能制定了一種分級流量控制策略，實現(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)表在熱力學與流體力學領域國際權威期刊《International Journal of Heat and Fluid Flow》該文的******作者為華中科技大學碩士研究生李美勇。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，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)達到了預期的設計目標。
這篇文章制造了Si-MCHS，并構建了一個配備實時信號采集、流量調(diào)節(jié)等功能的測試裝置。對Si-MCHS的靜態(tài)和瞬態(tài)性能進行了實驗研究。此外，基于Si-MCHS處理熱源時泵工作模式、熱交換熱阻和摩擦因子的模式，設計了一種流量分級控制策略。
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。
實驗證明，當功耗突然增加或減少時，Theater的響應過程是一階系統(tǒng)的單位階躍響應或零輸入響應。Si-MCHS具有快速的響應速度，Theater基本上可以在4秒內(nèi)達到90%的ΔT，并且在1秒內(nèi)可以達到50%的ΔT。增加泵速將顯著縮短響應時間。
圖4 在突然的功耗變化期間，Theater 達到不同ΔT百分比所需的時間。
總之，文章主要闡明了Si-MCHS的動態(tài)響應過程和響應速度，制定的流量控制策略與Si-MCHS的流動和熱傳遞性能相符，為基于硅的微通道芯片的集成冷卻提供了重要的參考。
