华中科技大学能源学院团队设计硅基微通道散热器（Si-MCHS）为基于硅的微通道芯片的集成冷却提供了重要的参考

芯片中的高功率密度问题已成为制约芯片性能提高的瓶颈之一。硅基微通道散热器（Si-MCHS）可以引导冷却流体靠近芯片结，显著提高冷却能力。由于芯片功耗的快速变化，了解Si MCHS的流动和传热性能，特别是其动态传热性能至关重要。

最近，华中科技大学能源学院团队利用光刻、刻蚀等工艺制作了Si MCHS，并对其静态和动态性能进行了实验测试。研究发现，Si-MCHS的温度响应过程反映了一阶系统的阶跃响应或零输入响应。当功耗突然变化时，热响应可以在4秒内达到稳态温差（ΔT）的90%，在1秒内达到50%ΔT。提高泵速会显著缩短响应时间，而不同的功率阶跃变化对响应时间的影响最小。该团队根据Si-MCHS的流动和传热性能制定了一种分级流量控制策略，实现了有效的流量控制。该研究题为“Experimental Study on Dynamic Flow and Heat Transfer Performance of Silicon-Based Microchannel Under Variable Thermal Load”，已发表在热力学与流体力学领域国际权威期刊《International Journal of Heat and Fluid Flow》该文的******作者为华中科技大学硕士研究生李美勇。该文所用到硅基微通道为安徽中鼎玉铉新材料科技有限公司制作。

文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0142727X24003886?dgcid=author

图1显示了Si-MCHS的结构和尺寸。在硅基板上，刻蚀有直径为625微米、高度为300微米的销钉鳍片。这些销钉鳍片以交错模式排列成11行11列。将石英玻璃盖板与硅基板粘合，形成流动通道。使用陶瓷加热器来模拟尺寸为10×10×1毫米³的芯片。基于芯片封装结构，在陶瓷加热器和Si-MCHS之间有一层厚度为100微米的热界面材料(TIM)层。

图2展示了制造的Si-MCHS。图2(a)显示，硅晶片的未刻蚀区域呈现出类似金属的光泽。图2(b)说明销钉鳍片具有良好的垂直度，上表面光滑，中间和下部有明显的刻蚀痕迹，这是由于刻蚀气体和等离子体在刻蚀深度增加时引起的侧向刻蚀的结果。图2(c)显示了刻蚀底部表面上有许多刻蚀的微坑，由于漫反射，这些微坑呈现出灰白色。图2(d)展示了石英玻璃与硅基板之间的粘合是有效的，粘合界面对齐良好，硅与石英玻璃之间的粘合紧密。总的来说，Si-MCHS已经达到了预期的设计目标。

这篇文章制造了Si-MCHS，并构建了一个配备实时信号采集、流量调节等功能的测试装置。对Si-MCHS的静态和瞬态性能进行了实验研究。此外，基于Si-MCHS处理热源时泵工作模式、热交换热阻和摩擦因子的模式，设计了一种流量分级控制策略。

随着泵速的增加，Qv、Vin、Vmax呈线性增加；ΔPSi-MCHS基本上随着泵速的增加而指数增长；摩擦因子先是快速下降，然后随着泵速的增加而缓慢下降。

实验证明，当功耗突然增加或减少时，Theater的响应过程是一阶系统的单位阶跃响应或零输入响应。Si-MCHS具有快速的响应速度，Theater基本上可以在4秒内达到90%的ΔT，并且在1秒内可以达到50%的ΔT。增加泵速将显著缩短响应时间。

图4 在突然的功耗变化期间，T_heater 达到不同ΔT百分比所需的时间。

总之，文章主要阐明了Si-MCHS的动态响应过程和响应速度，制定的流量控制策略与Si-MCHS的流动和热传递性能相符，为基于硅的微通道芯片的集成冷却提供了重要的参考。