高热流密度芯片三维仿生微通道结构散热机理研究

针对高热流密度芯片三维封装中的高效散热需求，提出基于生物仿生学三维微通道及其结构优化，开展三维微通道流动与立体散热的基础理论研究，发展与完善仿生微通道散热器设计和制作，以实现芯片液冷与高效散热。通过建立微流道的生物仿生模板实现多种三维微通道拓扑结构的设计，获得最小能耗的微通道最优化数学模型与结构，通过制作叠层三维微通道系统实验模型，进行不同结构的微通道中微流体的流动规律和强化传热机理的可视化实验研究，建立微通道三维热-流耦合传热模型和热量输运理论，形成新型微系统芯片微通道散热器和热管理系统的理论基础和关键技术。.课题将热流科学、机械学和纳米科学结合，促进了MEMS理论体系的发展，本研究成果在许多领域有直接的技术和应用价值，如计算机芯片、航空航天电子设备、功率电子设备、光电器件以及近年来迅速发展的微纳电子机械系统、生物芯片等领域都存在类似的广泛而迫切的散热冷却需要。

通过研究多种生物仿生现象和动植物典型结构仿生模板，统计了分形脉管的规律，获得了指导微通道热沉优化设计的参数，并设计了多种不同拓扑结构的微通道，对其进行流动散热数值模拟分析与实验研究，结果表明，仿生微通道结构具有低于平行流道约25%的压降和流阻，传热效果有一定的提高；构建了铝铜微通道和硅基微通道两种可视化实验平台，采用MEMS工艺加工可直接观察的微通道试件，研究了单双层流场和温度场的关系、流量对压降、流阻的影响； 对三维微通道进行了微流体流动与结构参数、传热特性的理论研究了结构（如水力直径、层数等）对流动、散热的影响，并提出了优化结果；在微通道散热器应用领域进行了相关研究，其一是微通道水冷与风冷结合进行了单板机箱的热设计，其二是与翅片结合进行LED散热设计，同时分析了以热管为动力的散热系统，其三是微通道进行计算机CPU热控技术，申请了发明专利并获得授权，并开发了控制系统，其四是开发了结构更为紧凑的新型微通道散热器，并申请了发明专利。