TWI503072B

TWI503072B - 含有多孔性材料之微通道散熱座之通道最佳尺寸設計方法

Info

Publication number: TWI503072B
Application number: TW102121442A
Authority: TW
Inventors: Tu Chieh Hung; Wei Mon Yan; yu xian Huang; Shih Chi Chan
Original assignee: Nat Univ Tainan
Priority date: 2013-06-17
Filing date: 2013-06-17
Publication date: 2015-10-01
Also published as: TW201500938A

Description

含有多孔性材料之微通道散熱座之通道最佳尺寸設計方法

本發明係有關於一種含有多孔性材料之微通道散熱座之通道最佳尺寸設計方法，特別是設計散熱座上的微通道和多孔性介質分布之最佳尺寸，以將此散熱座用於微電子晶片可得到最佳之散熱效果。

隨著科技的迅速發展，資訊、電子、自動化及網路技術的日趨進步，高散熱性能與低成本的微系統將成為現代科技精進的決勝關鍵。基本上，資訊、電子、自動化技術均應用微電子晶片做為運算的基礎。目前微晶片之製程尺度已由0.35μm逐漸降低至65nm。

在未來，微晶片之尺度勢必更微小化，微小化意味著單位面積微晶片之晶體密度將大幅增加。由於晶片式電子設備中最重要的負責運算和存儲的功能。因此，單位體積內電子晶片內之發熱量將大幅提高。當電子晶片的尺寸越小，組裝元件也逐漸增加，最終將導致晶片內部形成更高的熱流密度。預估未來單元面積晶片所產生之熱流密度可能高達1000W/cm²。如果電子晶片運轉產生的熱量不能適時移除，將導致晶片內部溫度急遽上升。此溫度升高將影響晶片運作的穩定性和可靠性，甚至燒毀晶片。過去的研究顯示，電子晶片的可靠度十分敏感於溫度的變化，當晶片溫度在70~80℃左右時，溫度每增加1℃，運作的可靠性度會下降5%。因此，解決微電子元件的散熱問題非常迫切。為了維持系統的性能並且延長微晶片之壽命，其散熱技術或熱管理成為現今最重要的課題之一。

微通道散熱座是最重要的晶片散熱技術之一，該系統係以水為冷卻介質，以矽或銅為基材的平行微通道散熱座(Microchannel heat sink，簡稱MCHS)對微機電系統(MEMS)進行晶片的散熱，微通道散熱座係包括許多平行微通道，並且有一定量的冷卻液經此通道。微通道散熱座的散熱原理為大功率的晶片產生的熱量藉由熱傳導方式通過固體的底部與壁面，然後在藉由流經微通道內的冷卻液體以對流熱傳的方式將熱帶走。此種冷卻系統與傳統的散熱座比較則具備更高的散熱性能、單位熱負荷的體積與尺寸更小、更低的冷卻劑需求量和更低的運營成本等優點。如果微通道的幾何尺寸冷卻劑及材料適當的選擇將可增強系統的熱傳性能。因此，應用微通道散熱座在超大規模積體電路(VLSI)和微機電系統的散熱以為成一個重要的選擇。

以下幾點係為改進散熱座之微通道散熱傳導之關鍵：

1.降低其總熱阻：有一些方可以用來降低散熱座之總熱阻。其一、增加通道的熱傳導的面積，此可增加通道肋片的寬度達成。其二、加大對流熱傳的面積，此面積可由增加通道的寬度與高度實現。其三、增加對流熱傳係數，對流熱傳係數與流體在通道內的平均速度息息相關，故可以藉由增加通道內的速度來達成。最後則是採用具有高熱導性的材料做為散熱座的基座。

2.採用高熱導係數的材質於通道內插入多孔性介質：通道內置入多孔性介質可以同時增加固體與流體的表面積以及流體局部的混合速度。亦即是同時增加接觸的熱導面積與接觸面之面積-體積比。因此，可提高對流熱傳的面積。此外，多孔性介質錯中複雜的網路分布則提供較高速的局部流體混合速度因而引發較高的局部熱傳係數。這些特性可以藉由適當的設計通道的幾何構型、入口泵功以及多孔性的條件(多孔性與滲透率)來達成。

由上述綜合可得知設計微通道內含多孔隙介質分布的通道將是增強散熱座熱傳導性能最有效方法。

爰此，有鑑於散熱座內的微通道之通道與通道內含多孔性介質分布尺寸設計可增強散熱座之熱傳導性能，並改進傳統的散熱座無法對尺寸更小的微電子元件進行有效地散熱，本發明係提供一種含有多孔性材料之微通道散熱座之通道最佳尺寸設計方法，該微通道具有一高度及一寬度，每一微通道包含位於其長側邊之二肋片，每一微通道內兩相對長側邊分別具有一多孔性層，每一微通道之相對的二多孔性層之間形成有一流道，其微通道之供流體流入端定義為一入口，包含有下列步驟：A.將微通道數目定義為N，該微通道散熱座之寬度定義為L_Z，該微通道之入口高度定義為H_C，該微通道之入口寬度定義為W_C，每二相鄰微通道之間的肋片總寬度定義為W_r，位於該微通道長側邊之二肋片之工作寬度定義為W_r/2，每一含肋微通道之寬度定義為W_P，該W_P=W_C+W_r，其中N=L_Z/W_P，將該微通道之入口之高度與寬度比例定義為α，α=H_C/W_C，另將該微通道入口之寬度與含肋微通道寬度比例定義為β，β=W_C/W_P；B.將該二多孔性層之總厚度定義為δ_P，該流道寬度為W_C-δ_P，該多孔性層佔該微通道之比例定義為R_P，R_P=δ_P/2W_C，該流道佔該微通道之比例定義為R_WP，；C.將熱阻定義為R_T，並以上述之N、β及R_P作為該R_T之設計變數，並一目標函數F=F(N,β,R_P)=R_T，帶入複數個N、β及R_P設計變數至該目標函數，以獲得複數個熱阻R_T之值，其中最低熱阻之值定義為R_T '，再以對應該R_T '之設計變數N'、β'及R_P '作為設計微通道散熱座之通道最佳尺寸之參數。

上述之目標函數係以目標函數之負梯度方向及共軛方向的線性組合作為搜尋方向，且該目標函數的負梯度方向係為。

上述之、、係為敏感係數，計算時，分別給該設計變數N、β及R_P一擾動△N、△β及△R_P，當上一次搜尋結束時，該設計變數即更新為：、、，其中N^k、β^k、R_P ^k及N^(k+1)、β^(k+1)、R_P ^(k+1)係分別對應設計變數N、β及R_P於第k和k+1次搜尋時的數值，其、及係分別為設計變數N、β及R_P於k次搜尋時的搜尋步長，、及為設計變數N、β及R_P於k次搜尋時的搜尋方向。

上述之設計變數N、β及R_P於k-1次搜尋時的搜尋方向、及與目標函數負梯度方向、及的線性組合，、及，其中、及係分別為設計變數N、β及R_P於k次搜尋時共軛梯度係數。

上述之、及分別與、及共軛，則、及。

上述、及係以傳統共軛梯度法尋找最佳搜尋步長，於第k次搜尋後，該目標函數係為：

上述以簡化共軛梯度法採用將固定步長σ_N、σ_β、分別σ_β=設為常數C_N、C_β及，即σ_N=C_N、σ_β=C_β及，每個設計變數N、β及R_P的相對搜尋步長C_N、C_β及係依據對該目標函數的敏感性而取不同數值。

本發明的功效在於：

1.藉由本發明之步驟方法可設計含多孔性介質分布散熱座之微通道最佳尺寸，以達到最佳散熱效果。

2.本發明所設計於散熱座上的微通道可增加熱傳導面積，可得到最佳散熱效率。

3.本發明係可藉由共軛梯度法搜尋最佳化之微通道設計變數，以獲得多組R_T之值，其中最低熱阻之值定義為R_T '，再以對應該R_T '之設計變數N'、β'及R_P '作為設計微通道散熱座之通道尺寸之參數。

(1)‧‧‧微通道散熱座

(11)‧‧‧微通道

(12)‧‧‧肋片

(13)‧‧‧多孔性層

(14)‧‧‧流道

(15)‧‧‧入口

[第一圖]係為本發明之方法步驟圖。

[第二圖]係為本發明微通道散熱座之立體圖，並以局部剖視觀察微通道及多孔性層之構造於底座內。

[第三圖]係為本發明微通道散熱座內之單一微通道平面圖。

綜合上述技術特徵，如第一圖至第三圖所示，本發明係為一種含有多孔性材料之微通道散熱座之通道最佳尺寸設計方法，該微通道散熱座(1)具有複數個矩形間隔並列微通道(11)，該微通道(11)具有一高度及一寬度，每一微通道(11)包含位於其長側邊之二肋片(12)，每一微通道(11)內兩相對長側邊分別具有一多孔性層(13)，每一微通道(11)之相對的二多孔性層(13)之間形成有一流道(14)，其微通道(11)之供流體流入端定義為一入口(15)，其係包含有下列步驟：

A.將微通道(11)數目定義為N，該微通道散熱座(1)之寬度定義為L_Z，該微通道(11)之入口(15)高度定義為H_C，該微通道(11)之入口(15)寬度定義為W_C，每二相鄰微通道(11)之間的肋片(12)總寬度定義為W_r，位於該微通道(11)長側邊之二肋片(12)之工作寬度定義為W_r/2，每一含肋微通道(11)之寬度定義為W_P，該W_P=W_C+W_r，其中N=L_Z/W_P，將該微通道(11)之入口(15)之高度與寬度比例定義為α，α=H_C/W_C，另將該微通道(11)入口(15)之寬度與含肋微通道(11)寬度比例定義為β，β=W_C/W_P。

B.將該二多孔性層(13)之總厚度定義為δ_P，該流道(14)寬度為W_C-δ_P，該多孔性層(13)佔該微通道(11)之比例定義為R_P，R_P=δ_P/2W_C，該流道(14)佔該微通道(11)之比例定義為R_WP，。

C.將熱阻定義為R_T，並以上述之N、β及R_P作為該R_T之設計變數，並一目標函數F=F(N,β,R_P)=R_T，帶入複數個N、β及R_P設計變數至該目標函數，以獲得複數個熱阻R_T之值，其中最低熱阻之值定義為R_T '，再以對應該R_T '之設計變數N'、β'及R_P '作為設計微通道散熱座(1)之通道最佳尺寸之參數。

要說明的是，第二圖係以局部剖視觀察微通道(11)及多孔性層(13)之構造於底座(1)內，底座(1)上緣之虛線仍屬該底座(1)之一部分，而箭頭方向係表示流體通過該微通道之方向。

以下係為針對如何以共軛梯度法搜尋設計變數及找出熱阻R_T之說明：一目標函數F=F(N,β,R_P)=R_T，該目標函數係以目標函數之負梯度方向及共軛方向的線性組合作為搜尋方向，且該目標函數的負梯度方向係為。

上述、、係為敏感係數，計算時，分別給該設計變數N、β及R_P一擾動△N、△β及△R_P，當上一次搜尋結束時，該設計變數即更新為：、、，其中N^k、β^k、R_P ^k及N^(k+1)、β^(k+1)、R_P ^(k+1)係分別對應設計變數N、β及R_P於第k和k+1次搜尋時的數值，其、及係分別為設計變數N、β及R_P於k次搜尋時的搜尋步長，、及為設計變數N、β及R_P於k次搜尋時的搜尋方向。

該設計變數N、β及R_P於k-1次搜尋時的搜尋方向、及與目標函數負梯度方向、及的線性組合，、及，其中、及係分別為設計變數N、β及R_P於k次搜尋時共軛梯度係數。

當、及分別與、及共軛，則、及。

、及係以傳統共軛梯度法尋找最佳搜尋步長，於第k次搜尋後，該目標函數係為：

又共軛梯度法從微小擾動原理開始，轉換最佳化問題成三個獨立的問題，即直接解的問題，敏感性問題，和相鄰的問題。其解決的方式係更新共軛梯度的方向以及步長(step-size)朝一定的方向收斂，並假設設在迭代的過程中每一個步長為常數並直接的以數值差分法來確定敏感性和搜尋方向，成功地找到最佳的目標函數，此方法即為簡單共軛梯度法

因此上述以簡化共軛梯度法採用將固定步長σ_N、σ_β、分別設為常數C_N、C_β及，即σ_N=C_N、σ_β=C_β及，每個設計變數N、β及R_P的相對搜尋步長C_N、C_β及係依據對該目標函數的敏感性而取不同數值。

綜合上述，利用CFD-GEOM及CFD-ACE+來生成計算網格和進行微通道散熱座正解問題，再用簡化的共軛梯度法的逆解來實現最佳化的設計參數之搜尋。

經研究結果顯示，並請同時參閱第二圖及第三圖所示之微通道散熱座(1)，於一個恆定的微通道散熱座(1)底部區域及熱通量的條件下，固定的泵功(0.001448W)，最佳化設計的微通道(11)數目、微通道(11)之入口(15)之高度與寬度比例、微通道(11)入口(15)之寬度與含肋微通道寬度比例分別為N=66，β=0.69，R_P=0.137對應最佳的總體熱阻值R_T '為0.12K/W。不同泵功最佳熱組與對應之最佳通道參數亦隨之改變。

綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。

Claims

一種含有多孔性材料之微通道散熱座之通道最佳尺寸設計方法，該微通道散熱座具有複數個矩形間隔並列微通道，該微通道具有一高度及一寬度，每一微通道包含位於其長側邊之二肋片，每一微通道內兩相對長側邊分別具有一多孔性層，每一微通道之相對的二多孔性層之間形成有一流道，其微通道之供流體流入端定義為一入口，包含有下列步驟：A.將微通道數目定義為N，該微通道散熱座之寬度定義為L_Z，該微通道之入口高度定義為H_C，該微通道之入口寬度定義為W_C，每二相鄰微通道之間的肋片總寬度定義為W_r，位於該微通道長側邊之二肋片之工作寬度定義為W_r/2，每一含肋微通道之寬度定義為W_P，該W_P=W_C+W_r，其中N=L_Z/W_P，將該微通道之入口之高度與寬度比例定義為α，α=H_C/W_C，另將該微通道入口之寬度與含肋微通道寬度比例定義為β，β=W_C/W_P；B.將該二多孔性層之總厚度定義為δ_P，該流道寬度為W_C-δ_P，該多孔性層佔該微通道之比例定義為R_P，R_P=δ_P/2W_C，該流道佔該微通道之比例定義為R_WP，；C.將熱阻定義為R_T，並以上述之N、β及R_P作為該R_T之設計變數，並一目標函數F=F(N,β,R_P)=R_T，帶入複數個N、β及R_P設計變數至該目標函數，以獲得複數個熱阻R_T之值，其中最低熱阻之值定義為R_T '，再以對應該R_T '之設計變數N'、β'及R_P '作為設計微通道散熱座之通道最佳尺寸之參數。
如申請專利範圍第1項所述之含有多孔性材料之微通道散熱座之通道最佳尺寸設計方法，其中，該目標函數係以目標函數之負梯度方向及共軛方向的線性組合作為搜尋方向，且該目標函數的負梯度方向係為
如申請專利範圍第2項所述之含有多孔性材料之微通道散熱座之通道最佳尺寸設計方法，其中，、、係為敏感係數，計算時，分別給該設計變數N、β及R_P一擾動△N、△β及△R_P，當上一次搜尋結束時，該設計變數即更新為：、、，其中N^k、β^k、R_P ^k及N^(k+1)、β^(k+1)、R_P ^(k+1)係分別對應設計變數N、β及R_P於第k和k+1次搜尋時的數值，其、及係分別為設計變數N、β及R_P於k次搜尋時的搜尋步長，、及為設計變數N、β及R_P於k次搜尋時的搜尋方向。
如申請專利範圍第3項所述之含有多孔性材料之微通道散熱座之通道最佳尺寸設計方法，其中，該設計變數N、β及R_P於k-1次搜尋時的搜尋方向、及與目標函數負梯度方向、及的線性組合，、及，其中、及係分別為設計變數N、β及R_P於k次搜尋時共軛梯度係數。
如申請專利範圍第4項所述之含有多孔性材料之微通道散熱座之通道最佳尺寸設計方法，其中，該、及分別與、及共軛，則、及。
如申請專利範圍第5項所述之含有多孔性材料之微通道散熱座之通道最佳尺寸設計方法，其中，、及係以傳統共軛梯度法尋找最佳搜尋步長，於第k次搜尋後，該目標函數係為：
如申請專利範圍第6項所述之含有多孔性材料之微通道散熱座之通道最佳尺寸設計方法，其係以簡化共軛梯度法採用將固定步長σ_N、σ_β、分別設為常數C_N、C_β及，即σ_N=C_N、σ_β=C_β及，每個設計變數N、β及R_P的相對搜尋步長C_N、C_β及係依據對該目標函數的敏感性而取不同數值。