بحث تطبيقي لتبريد القنوات الصغيرة في IGBT

تبريد القنوات الدقيقة هو حفر قنوات ميكروسكوبية على ركيزة.يتم نقل الحرارة بعيدًا عن طريق مائع العمل المتدفق في القناة الدقيقة بعد توصيله عبر الركيزة.إنها طريقة تبريد فعالة ولها آفاق تطوير كبيرة في مجالات تبريد رقاقة الكمبيوتر الإلكترونيةوالفضاء وغيرها من المجالات.منذ طرح المفهوم ، كان قلقًا على نطاق واسع من قبل العلماء في الداخل والخارج ، لكن آلية نقل الحرارة للقنوات الصغيرة معقدة نسبيًا ولم يتم توضيحها بعد.من أجل استكشاف احتمالات تطبيق تقنية التبريد متناهية الصغر في مجال الإدارة الحرارية للأجهزة الإلكترونية الدقيقة ، تم تحليل البحث الحالي وتقييمه.

1. هيكل حجم القناة الصغيرة

تعد معايير التمييز بين قنوات النطاق الكلي والجزئي موضوعًا مهمًا للغاية.لا يؤثر هذا فقط على تصميم القناة للبحث النظري ، ونطاق تطبيق الارتباط ، وما إلى ذلك ، ولكن له أيضًا أهمية إرشادية مهمة لاختيار ومعالجة حجم القناة في التطبيقات العملية.أجرى العلماء الأوائل الكثير من الأبحاث حول الفرق بين القنوات الصغيرة والقنوات التقليدية.يعطي KANDLIKAR نطاق القطر لأنواع مختلفة من القنوات بناءً على القطر الهيدروليكي.ومع ذلك ، أشار تقرير THOME إلى أنه ليس من المعقول تمامًا التمييز بين المقياسين الجزئي والكلي بناءً على حجم القناة فقط ، ولكن يجب مراعاة خصائص السوائل في نفس الوقت.لأن هناك العديد من المعلمات التي تغير وتؤثر على التدفق مع انخفاض قطر القناة.من أجل التمييز بين القنوات الصغيرة والقنوات التقليدية ، وضع بعض الباحثين معايير مختلفة لتعريف القنوات الصغيرة.

طريقة القسمة على أساس القطر الهيدروليكي للقناة موضحة في الجدول 1. طريقة التقسيم هذه تم اقتراحها من قبل LEE و KANDLIKAR وآخرون.تأخذ هذه المواصفة القياسية بعين الاعتبار تطبيق المبادلات الحرارية وتكنولوجيا التصنيع الميكانيكي في ذلك الوقت ، وتقدم المراجع المقابلة.

في غليان التدفق ، لم تشكل العتبة من القناة الكبيرة إلى القناة الصغيرة بعد معيارًا مقبولًا بشكل عام.قام بعض العلماء بتلخيص البيانات التجريبية للتدفق ثنائي الطور للقنوات الدقيقة (100 ميكرومتر D ≤ 4.2 مم) وسوائل الاختبار المختلفة (الماء منزوع الأيونات ، FC-72 ، H2O ، R11 ، إلخ).بناءً على تحليل الدراسات ذات الصلة ، استنتج أن العتبة من قناة المقياس الكلي إلى قناة النطاق الصغير مرتبطة بقطر هروب الفقاعة وتجميع الفقاعات ، وتعريف الحدود بين المقياس الكلي و يحتاج المقياس الصغير إلى مراعاة حد الفقاعة.من وجهة نظر القوة ، يتم التحكم في انفصال الفقاعات في تدفق الغليان في أنبوب عن طريق التوتر السطحي والطفو.اقترح بعض العلماء طريقة القسمة باستخدام رقم التقييد (Co، Confinement Number).يمثل رقم Co الحجم النسبي للتوتر السطحي والجاذبية في القناة.عندما يكون Co> 0.5 ، تختلف خصائص نقل الحرارة والتدفق اختلافًا كبيرًا عن تلك التي لوحظت في القنوات الكبيرة.لذلك ، يمكن اعتبار Co> 0.5 معيار تقسيم القنوات الصغيرة.طريقة التقسيم هذه لاقتباس رقم الحد Co هو ممثل نموذجي لطريقة تقسيم القنوات الصغيرة التي يتم الحكم عليها من خلال تحليل قوة الفقاعة ، ويتم اقتراحها بناءً على ظروف تجريبية معينة.تختلف المعايير التي تم الحصول عليها في ظل ظروف تجريبية مختلفة ، لذلك يتم استخدامها بشكل عام كمرجع للبحث النظري في ظل ظروف تجريبية مماثلة.

في الوقت الحاضر ، في مجال التطبيقات الصناعية ، يُعتقد على نطاق واسع أن القنوات ذات القطر الهيدروليكي D 1 مم يمكن أن تسمى القنوات الصغيرة.

هيكل القناة الصغيرة له تأثير كبير على أداء نقل الحرارة للقناة الصغيرة.التصميم الهندسي المعقول للقنوات الدقيقة هو المفتاح لتعزيز نقل الحرارة.أجرى العلماء الكثير من الأبحاث حول هياكل القنوات الصغيرة ، بما في ذلك تصنيع القنوات الصغيرة المختلفة ، وأنماط التدفق ، وخصائص انخفاض الضغط ، وخصائص نقل الحرارة تحت هياكل القنوات المختلفة.

بدءًا من أقدم بنية قناة سيليكون متوازية متعددة القنوات مقترحة ، درس الناس هيكل وشكل القنوات الصغيرة المختلفة لتحسين أداء نقل الحرارة.فيما يتعلق بالأشكال المقطعية للقنوات الدقيقة ، اكتشف العلماء القنوات الصغيرة ذات الأشكال المقطعية مثل الأشكال الدائرية والمثلثية والمستطيلة وشبه المنحرفة ، وقاموا بتحليل أداء تبديد الحرارة تحت أشكال مقطعية مختلفة.وجد أن الاختلاف في الشكل المقطعي له تأثير كبير على أداء تبديد الحرارة.بالإضافة إلى المقاطع العرضية ذات الشكل المنتظم ، درس العلماء أيضًا الهياكل غير المنتظمة الشكل ، مثل القناة الدقيقة المقعرة في المقطع العرضي ، والتي تسمى BCT (تقنية القناة المدفونة).تم تصنيعها باستخدام تقنية معالجة القنوات المدفونة على ركيزة من السيليكون.يبلغ عمق وعرض الأخدود 75 ميكرومتر و 5 ميكرومتر على التوالي ، مما يوفر مسارًا جديدًا لتدفق السوائل في القناة الصغيرة.اقترح بعض العلماء نوعًا جديدًا من القنوات الصغيرة ذات الأخاديد المقعرة على الجدار الجانبي ، بحجم هندسي 200 ميكرومتر × 253 ميكرومتر.القنوات ليست متصلة ببعضها البعض.تظهر النتائج التجريبية أن القنوات الدقيقة ذات الأخاديد يمكن أن تعزز تنوي الفقاعات وتزيد بشكل كبير من تدفق الحرارة الحرج.يساعد في التخفيف من عدم استقرار نمو الفقاعات السريع ويخفف من عدم استقرار غليان السوائل.قام بعض العلماء بتصميم قناة صغيرة مسامية عائدة مع قنوات صغيرة على شكل Ω باستخدام تقنية تلبيد المسحوق ، والتي تسمى RPM (قنوات متناهية الصغر).القطر الهيدروليكي 786 ميكرومتر.تظهر التجارب أن الهيكل يمكن أن يحسن بشكل كبير أداء نقل الحرارة لتدفق أحادي الطور للقناة الدقيقة والتدفق ثنائي الطور ، ويمكن أن يقلل من عدم استقرار التدفق ثنائي الطور.أجرى بعض العلماء تحليلًا عدديًا ثلاثي الأبعاد وتحسينًا على معاملات أخاديد الجدار الجانبي للقناة الدقيقة ، وحصلوا على أخدود شبه منحرف مع نسبة طول طرف أخدود 0.5.تتميز القناة الدقيقة ذات نسبة عمق الأخدود 0.4 ، ونسبة ميل الأخدود 3.334 ، ونسبة اتجاه الأخدود البالغة 0 بأفضل أداء لنقل الحرارة وأقل مقاومة للتدفق.من أجل تحسين التدفق داخل القناة الصغيرة وتحسين أداء نقل الحرارة ، صمم الباحثون أيضًا العديد من المبادلات الحرارية ذات القنوات الصغيرة بأشكال مختلفة من قنوات التدفق ، مثل الشكل المموج ، وشكل زعنفة الدبوس ، والزعنفة الأسطوانية المائلة ، والزعنفة المتداخلة ، والزعنفة المزدوجة ، إلخ. . التبادل الحراري للقنوات الصغيرة مثل الطبقات والمبادلات الحرارية ذات القنوات الصغيرة ذات التجاويف الصغيرة ، إلخ. أجرى العلماء أيضًا أبحاثًا على بعض قنوات التدفق ذات الهياكل الخاصة ، ووجدوا أن استخدام بعض قنوات التدفق ذات البنية الخاصة قد يكون له تأثير في تعزيز نقل الحرارة .على سبيل المثال ، تم تحسين القناة الخطية ، وتم اقتراح القناة الصغيرة ذات المقطع العرضي المستطيل.تظهر نتائج المحاكاة أحادية الطور أن القناة الدقيقة المتموجة يمكن أن تولد تيارات إيدي ، وتحسن معامل نقل الحرارة بالحمل الحراري ، ولها انخفاض ضغط أصغر من القناة الدقيقة الخطية.توضح هذه الدراسة أيضًا أن تغيير السعة النسبية على طول اتجاه التدفق ليس له تأثير كبير على انضغاط وكفاءة القناة الدقيقة.يمكن أن يؤدي تقليل الطول الموجي للقناة الدقيقة الموجية إلى جعل توزيع درجة حرارة الجهاز أكثر اتساقًا وتقليل توليد الحرارة الزائدة المحلية.تم تصنيع ثلاثة أنواع من شبكات القنوات الدقيقة المترابطة المسامية بواسطة تلبيد مسحوق النحاس وتصنيع الأسلاك بالتفريغ الكهربائي.في الاختبار ، استنتج أن القناة الدقيقة المترابطة المسامية 0.4 مم لديها أفضل أداء لنقل الحرارة والقدرة على تخفيف عدم استقرار التدفق ثنائي الطور.بالإضافة إلى ذلك ، صمم بعض العلماء طوبولوجيا القناة الإلكترونية الدقيقة ، مثل طوبولوجيا القناة الدقيقة للوريد الورقي ، وطوبولوجيا شجرة القصبة الهوائية البشرية ، وطوبولوجيا شبكة العنكبوت ، وهيكل شبكة النهر ، وهيكل قرص العسل ، وهيكل وريد جناح الحشرات.

وفقًا لنتائج الحساب العددي ، مقارنةً بالشريحة المستطيلة ، باستثناء بنية شبكة النهر ، فإن الهيكل الطوبولوجي لكل قناة متناهية الصغر يتمتع بقدرة أكبر على تبديد الحرارة من القناة الصغيرة المستطيلة المسطحة العادية.ومع زيادة كثافة تدفق الحرارة للرقاقة ، يصبح الاختلاف في قدرة تبديد الحرارة لهياكل القنوات الصغيرة المختلفة أكثر وضوحًا.لذلك ، في تطبيق رقائق كثافة تدفق الحرارة العالية ، فإن طوبولوجيا القناة الدقيقة لها تأثير كبير على تأثير تبديد الحرارة للرقاقة.وفقًا للتجارب ، فقد وجد أن بنية شبكة العنكبوت لها مزايا مساحة السطح المحددة لتبديد الحرارة ، ومعامل نقل الحرارة بالحمل المتوسط ​​العالي ، والأداء الجيد لتدفق السوائل.أداء تبديد الحرارة الشامل هو الأمثل ، وانخفاض ضغط المدخل والمخرج أقل ، والذي له قيمة تطبيق هندسي جيدة.

أظهرت الأبحاث المكثفة حول بنية القناة الصغيرة إمكانات تبديد الحرارة الممتازة وآفاق التطوير الواسعة لتقنية تبريد القناة الصغيرة ، كما أرسى أساسًا قويًا لمزيد من الترويج والتطبيق لتقنية تبريد القناة المصغرة اللاحقة.بالإضافة إلى بنية الحجم ، ما إذا كان تغيير طور السائل في القناة هو أيضًا أحد العوامل المهمة التي تؤثر على قدرة تبديد الحرارة للقناة الدقيقة.وفقًا لما إذا كانت مرحلة الموائع تتغير أم لا ، يمكن تقسيم تقنية القناة الصغيرة إلى نوعين: التبريد أحادي الطور في القناة الصغيرة والتبريد بالغليان عبر القناة الصغيرة (على مرحلتين).في ما يلي ، تتم مراجعة وتحليل الدراسات الحالية حول القنوات الصغيرة أحادية الطور والمرحلة ثنائية الطور.

2. قناة صغيرة Sمرحلة واحدة Cاولينج Tتقنية

يعني التبريد أحادي الطور أن وسيط التبريد يظل في نفس الحالة (سائل عادةً) طوال عملية التبريد ، دون غليان أو تكثيف.بالمقارنة مع جهاز التبريد أحادي الطور التقليدي (النظام) ، فإن جهاز التبريد أحادي الطور ذو القناة الصغيرة (النظام) لديه مساحة أكبر لنقل الحرارة وتأثير صغير الحجم تحت نفس الحجم ، وأداء تبديد الحرارة الكلي أقوى .يمكن ملاحظة أن الماء هو محور البحث التجريبي أحادي الطور للقناة الصغيرة.في الوقت الحاضر ، هناك توقعات كبيرة لتطبيق تقنية التبريد متناهية الصغر في مجال تبريد الرقاقة الإلكترونية.لذلك ، تستخدم العديد من الدراسات التجريبية الرقائق الإلكترونية مباشرة كمصادر للحرارة لتحليل أداء نقل الحرارة للمشتتات الحرارية ذات القناة الدقيقة.معظم أطوال القنوات الصغيرة التي تم اختبارها في التجارب تتراوح من 10 إلى 20 مم.

في المقابل ، هناك القليل من الدراسات حول منتجات وحدات IGBT المعيارية.الحجم الكلي لوحدة حزمة IGBT كبير نسبيًا مقارنة بالرقائق الإلكترونية للكمبيوتر.عادة ما يكون من الضروري تصميم قنوات صغيرة بطول أكبر من 50 مم ، وهو أمر غير مواتٍ للتبريد أحادي الطور.نظرًا لأن القناة الأطول ستسبب اختلافًا أكبر في درجة الحرارة بين المدخل والمخرج ، فقد تزيد من خطر الهروب الحراري لوحدة حزمة IGBT بسبب درجة الحرارة غير المتكافئة.هذه مشكلة لا يمكن تجاهلها عند تطبيق تقنية التبريد أحادي الطور للقناة الصغيرة على الإدارة الحرارية IGBT.أجرى بعض العلماء بحثًا حول هذه المشكلة ، مثل تطوير مشعاع تبريد سائل متناهي الصغر بغرفة بخار متكاملة من أجل IGBTs عالية الطاقة من أجل تعزيز توحيد درجة حرارة التبريد أحادي الطور للقناة الصغيرة.دمج المشتت الحراري ذو القناة الصغيرة مع غرفة البخار.من خلال مقارنة المشتت الحراري المدمج ذو القناة الصغيرة مع المشتت الحراري البسيط للقناة الصغيرة ، يتم التحقق من الأداء الشامل الممتاز للمشتت الحراري المدمج للقناة الصغيرة.يوفر هذا رؤى مهمة حول تطبيق المشتتات الحرارية للتبريد أحادية الطور ذات القناة الصغيرة للإدارة الحرارية لـ IGBTs عالية الطاقة.

3. تقنية التبريد بالغليان المتناهي الصغر (على مرحلتين)

التبريد بغليان التدفق (ثنائي الطور) هو في الأساس طريقة تبريد يتم فيها إزالة الحرارة من خلال امتصاص الحرارة بمرحلة انتقالية أثناء غليان تدفق السوائل.الاعتماد على خصائص نقل الحرارة لغليان التدفق والتأثير الصغير للقنوات الدقيقة ، فإن التبريد بالغليان المتدفق في القنوات الدقيقة له مزايا هيكل المبرد المضغوط ، وقدرة نقل الحرارة القوية ، ومعامل نقل الحرارة المرتفع ، وتوحيد درجة الحرارة الجيد ، وشحن سائل أقل..يعد استخدام التبريد بالغليان المتدفق عبر القنوات الصغيرة أحد الحلول المحتملة الممتازة للتخفيف من الاختلاف الكبير في درجات الحرارة بين المدخل والمخرج في التبريد أحادي الطور.فيما يلي بعض نتائج البحث التطبيقي لتبريد غليان تدفق القنوات الصغيرة في مجال الإدارة الحرارية IGBT.تهدف إلى نقل حرارة غليان التدفق المتناهي في حالة الحجم الكبير وكثافة تدفق الحرارة العالية لوحدة IGBT ، تمت دراسة تأثير اتجاهات التسخين المختلفة على نقل حرارة غليان تدفق القناة المتناهية الصغر تجريبياً باستخدام R134a كوسيط تبريد.تظهر نتائج البحث أن هناك آليتين لنقل الحرارة في القناة الدقيقة: غليان النواة وغليان الحمل القسري.أداء نقل الحرارة للتدفئة السفلية أفضل من التسخين العلوي.ومعدل تدفق الكتلة للسائل في القناة وكثافة تدفق الحرارة لسطح التسخين لهما تأثير مهم على درجة حرارة جدار القناة الدقيقة ومعامل نقل الحرارة.كما يلخص البحث ارتباط نقل الحرارة المعدل بالاعتماد على البيانات التجريبية والتي يمكن أن تتنبأ بدقة بمعامل انتقال الحرارة عند تسخين القمة بمتوسط ​​خطأ 16.6٪.أنشأ بعض العلماء أنظمة تجربة تبريد تحت طاقة الدوران الطبيعي وقوة الدوران القسري المناسبة لوحدات IGBT.خصائص بدء التشغيل ونقل الحرارة لنظام التبريد الدوراني الطبيعي لوحدة القناة الصغيرة ، وخصائص وقواعد نقل حرارة غليان التدفق لـ R134a في القناة الصغيرة ، وتحويل نمط تدفق R134a وتحويل آلية نقل الحرارة في تم استكشاف القناة الصغيرة.تم تحسين بنية القناة الصغيرة بناءً على البيانات التجريبية والبحث النظري.في الوقت الحاضر ، هناك عدد قليل من الدراسات ذات الصلة حول تطبيق تبريد غليان تدفق القنوات الصغيرة لتبديد الحرارة لوحدات IGBT.هناك نقص في البحث حول التصميم الهيكلي للمشتت الحراري للغليان ذو التدفق المتناهي الصغر مع هيكل أكبر حجمًا لوحدة IGBT ، وطول قناة أطول ، وتأثير تبديد الحرارة الفعلي ، واختيار معدل تدفق الكتلة تحت تدفق حراري مختلف كثافات.التأثير الفعلي لتبريد غليان تدفق القنوات الصغيرة على تأثير تبديد الحرارة وتحسين اتساق درجة الحرارة لوحدة IGBT يحتاج إلى مزيد من البحث والتحقق.

على الرغم من وجود عدد قليل من الدراسات حول تطبيق غليان تدفق القنوات الصغيرة في المجالات ذات الصلة بتبديد الحرارة IGBT ، فقد أجرى العلماء بحثًا مكثفًا حول آلية نقل الحرارة والعوامل التي تؤثر على أداء نقل الحرارة لتدفق الحرارة المتناهية الصغر ، وحققوا نتائج بحث معينة.

يعتبر نقل حرارة غليان التدفق المتناهي الصغر أكثر تعقيدًا من نقل الحرارة بالتدفق أحادي الطور ، وهناك العديد من العوامل المؤثرة.اتجاه البحث واسع ، ويتضمن تطور نمط تدفق نقل حرارة الغليان ، وديناميات الفقاعة ، ونقل حرارة الغليان وخصائص نقل الحرارة ، وموثوقية نقل الحرارة ، وأبحاث استقرار التدفق.انتقال حرارة الغليان له تفاعل بين الفقاعات والسائل.هناك أنماط تدفق مختلفة داخل القناة ، وستؤثر أنماط التدفق المختلفة بشكل مباشر على تأثير نقل الحرارة على سطح القناة الدقيقة ، مما يجلب تحديات كبيرة لدراسة آلية نقل الحرارة.يتأثر نقل حرارة غليان التدفق في القنوات العادية بآليتين أساسيتين.الأول هو الآلية السائدة لغليان النواة المتعلقة بتكوين الفقاعات على سطح الجدار وديناميكيات الفقاعات.والآخر عبارة عن آلية يسيطر عليها الحمل الحراري تتعلق بالتوصيل والحمل الحراري من خلال الفيلم السائل.تظهر نتائج البحث الحالية حول أداء نقل الحرارة للقنوات الدقيقة أن نقل الحرارة بالغليان المتدفق في القنوات الدقيقة له أيضًا تأثير هاتين الآليتين لنقل الحرارة.تعتمد الآلية المهيمنة على غليان النواة بشدة على تدفق الحرارة ، بينما تعتمد الآلية السائدة في الحمل الحراري بشدة على معدل تدفق الكتلة.إن العمل المشترك للآليتين يجعل خصائص نقل الحرارة لغليان التدفق معقدة للغاية.بالإضافة إلى تأثير المقياس الجزئي ، فإن معظم ارتباطات نقل الحرارة بغليان التدفق التقليدي ليست كافية للتنبؤ بنقل حرارة غليان التدفق في القنوات الصغيرة الحجم.من الصعب الحصول على وصف موحد لآلية نقل الحرارة تحت سوائل عمل مختلفة ، وهياكل قنوات مختلفة ، وأنماط تدفق مختلفة ، وهناك حاجة إلى مزيد من البحث.تم تلخيص نتائج البحث التجريبي للتبريد بالغليان بتدفق القنوات المتناهية الصغر.أجرى العلماء عددًا كبيرًا من الدراسات التجريبية تحت سوائل عمل مختلفة ، وأرقام قنوات مختلفة ، وظروف عمل مختلفة.يوفر القانون أساسًا تجريبيًا متينًا.

بشكل عام ، فإن معظم الأبحاث الحالية تهدف إلى استكشاف آلية نقل الحرارة كهدف رئيسي.درس العديد من العلماء خصائص نقل الحرارة وآلية غليان تدفق القنوات الصغيرة في طريقة التسخين المنتظم.ومع ذلك ، فإن الاختلاف بين مشهد التسخين المنتظم ومشهد التسخين غير المنتظم مثل وحدة IGBT يجعل خصائص نقل الحرارة للمشتت الحراري المغلي لتدفق القناة متناهية الصغر والعوامل التي يجب مراعاتها في التصميم قد تكون مختلفة.علاوة على ذلك ، لا يزال تعقيد آلية نقل الحرارة لغليان تدفق القنوات الصغيرة يجعل من المستحيل استخلاص استنتاجات مقنعة وواضحة.تختلف خصائص نقل حرارة غليان التدفق المتناهي الصغر تحت سوائل العمل المختلفة ، وهياكل القنوات المختلفة ، وسيناريوهات التطبيق المختلفة ، والظروف التجريبية.في الوقت نفسه ، لا يهتم تصميم تبديد الحرارة لوحدة IGBT بتوحيد درجة الحرارة بين الرقائق الداخلية فحسب ، بل يحتاج أيضًا إلى مراعاة العلاقة بين توزيع درجات الحرارة للرقائق المختلفة والمواضع النسبية للمدخل والمخرج ، الطول المعقول للقناة الدقيقة والتجفيف الجزئي للسائل في القناة الدقيقة.الظاهرة وقضايا أخرى.سيكون حل هذه المشكلات هو المفتاح لمزيد من الترويج لتطبيق التبريد بالغليان المتدفق في القنوات الصغيرة في مجال الإدارة الحرارية لوحدات IGBT.