Anwendungsforschung der Mikrokanalkühlung in IGBT

Mikrokanalkühlung ist das Ätzen von Kanälen im Mikromaßstab auf einem Substrat.Die Wärme wird von dem im Mikrokanal strömenden Arbeitsfluid abgeführt, nachdem es durch das Substrat geleitet wurde.Es ist eine effiziente Kühlmethode und hat große Entwicklungsperspektiven in den Bereichen Kühlung elektronischer Computerchips, Luft- und Raumfahrt und andere Bereiche.Seit das Konzept vorgestellt wurde, wurde es von Gelehrten im In- und Ausland stark beunruhigt, aber der Wärmeübertragungsmechanismus von Mikrokanälen ist relativ kompliziert und noch nicht geklärt.Um die Anwendungsperspektive der Mikrokanal-Kühltechnologie im Bereich des Wärmemanagements von mikroelektronischen Bauelementen zu erkunden, wurde die bestehende Forschung analysiert und bewertet.

1. Struktur der Mikrokanalgröße

Die Kriterien zur Unterscheidung von Kanälen im Makro- und Mikromaßstab sind ein sehr wichtiges Thema.Dies betrifft nicht nur das Kanaldesign der theoretischen Forschung, den Anwendungsbereich der Korrelation etc., sondern hat auch wichtige richtungsweisende Bedeutung für die Auswahl und Verarbeitung der Kanalgröße in praktischen Anwendungen.Frühe Gelehrte haben viel über den Unterschied zwischen Mikrokanälen und herkömmlichen Kanälen geforscht.KANDLIKAR gibt den Durchmesserbereich verschiedener Kanaltypen basierend auf dem hydraulischen Durchmesser an.Der THOME-Bericht wies jedoch darauf hin, dass es nicht ganz sinnvoll ist, Mikro- und Makroskalen nur anhand der Kanalgröße zu unterscheiden, sondern gleichzeitig die Fluideigenschaften berücksichtigt werden müssen.Denn es gibt viele Parameter, die sich ändern und den Durchfluss beeinflussen, wenn der Kanaldurchmesser abnimmt.Um Mikrokanäle von herkömmlichen Kanälen zu unterscheiden, haben einige Forscher unterschiedliche Standards für die Definition von Mikrokanälen vorgeschlagen.

Die auf dem hydraulischen Durchmesser des Kanals basierende Aufteilungsmethode ist in Tabelle 1 dargestellt. Diese Aufteilungsmethode wurde von LEE und KANDLIKAR et al. vorgeschlagen.Diese Norm betrachtet umfassend die damalige Anwendung von Wärmetauschern und die mechanische Fertigungstechnik und gibt entsprechende Hinweise.

Beim Strömungssieden hat sich die Schwelle vom makroskaligen zum mikroskaligen Kanal noch nicht zu einem allgemein akzeptierten Standard entwickelt.Einige Wissenschaftler haben die experimentellen Daten der Zweiphasenströmung von Mikrokanälen (100 μm ≤ D ≤ 4,2 mm) und verschiedenen Testflüssigkeiten (deionisiertes Wasser, FC-72, H2O, R11 usw.) zusammengefasst.Basierend auf der Analyse relevanter Studien wird der Schluss gezogen, dass die Schwelle vom Kanal im Makromaßstab zum Kanal im Mikromaßstab mit dem Durchmesser des Blasenaustritts und der Blasenaggregation sowie der Definition der Grenze zwischen dem Makromaßstab und dem Mikromaßstab zusammenhängt Mikromaßstab muss die Blasengrenze berücksichtigen.Kraftmäßig wird die Ablösung von Blasen beim Sieden einer Strömung in einem Rohr durch Oberflächenspannung und Auftrieb gesteuert.Einige Gelehrte haben eine Teilungsmethode unter Verwendung einer Beschränkungsnummer (Co, Confinement Number) vorgeschlagen.Die Co-Zahl repräsentiert die relative Größe der Oberflächenspannung und der Schwerkraft im Kanal.Wenn Co > 0,5 ist, unterscheiden sich die Wärmeübertragungs- und Strömungseigenschaften signifikant von denen, die in großen Kanälen beobachtet werden.Daher kann Co > 0,5 als Teilungsstandard von Mikrokanälen angesehen werden.Dieses Teilungsverfahren der Angabe der Grenzzahl Co ist ein typischer Vertreter des Teilungsverfahrens von Mikrokanälen, beurteilt durch Blasenkraftanalyse, und es wird basierend auf bestimmten experimentellen Bedingungen vorgeschlagen.Die unter verschiedenen experimentellen Bedingungen erhaltenen Standards sind unterschiedlich, daher wird es im Allgemeinen als Referenz für theoretische Forschung unter ähnlichen experimentellen Bedingungen verwendet.

Derzeit wird im Bereich der industriellen Anwendung weithin angenommen, dass Kanäle mit einem hydraulischen Durchmesser D ≤ 1 mm als Mikrokanäle bezeichnet werden können.

Die Struktur des Mikrokanals hat einen großen Einfluss auf die Wärmeübertragungsleistung des Mikrokanals.Ein vernünftiges Design der Mikrokanalgeometrie ist der Schlüssel zur Verbesserung der Wärmeübertragung.Gelehrte haben viel über Mikrokanalstrukturen geforscht, wobei verschiedene Mikrokanalherstellungen, Strömungsmuster, Druckabfalleigenschaften und Wärmeübertragungseigenschaften unter verschiedenen Kanalstrukturen einbezogen wurden.

Ausgehend von der frühesten vorgeschlagenen parallelen Mehrkanal-Siliziumkanalstruktur haben Menschen die Struktur und Form verschiedener Mikrokanäle untersucht, um ihre Wärmeübertragungsleistung zu verbessern.In Bezug auf Querschnittsformen von Mikrokanälen haben Wissenschaftler Mikrokanäle mit Querschnittsformen wie kreisförmigen, dreieckigen, rechteckigen und trapezförmigen Formen untersucht und die Wärmeableitungsleistung unter verschiedenen Querschnittsformen analysiert.Es wurde festgestellt, dass der Unterschied in der Querschnittsform einen großen Einfluss auf die Wärmeableitungsleistung hat.Neben regelmäßig geformten Querschnitten haben Wissenschaftler auch unregelmäßig geformte Strukturen untersucht, wie beispielsweise einen konkaven Mikrokanal im Querschnitt, der als BCT (Buried Channel Technology) bezeichnet wird.Hergestellt mit Buried-Channel-Processing-Technologie auf einem Siliziumsubstrat.Die Rillentiefe und -breite betragen 75 μm bzw. 5 μm, was einen neuen Weg für den Flüssigkeitsfluss im Mikrokanal bereitstellt.Einige Wissenschaftler schlugen einen neuen Mikrokanaltyp mit konkaven Ω-Rillen an der Seitenwand mit einer geometrischen Größe von 200 μm × 253 μm vor.Die Kanäle sind nicht miteinander verbunden.Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Mikrokanäle mit Rillen die Keimbildung von Blasen fördern und den kritischen Wärmefluss signifikant erhöhen können.Es hilft, die Instabilität des schnellen Blasenwachstums zu lindern und die Instabilität des Siedens von Flüssigkeiten zu lindern.Einige Gelehrte haben einen wiedereintretenden porösen Mikrokanal mit Ω-förmigen Mikrokanälen entworfen, indem sie die Pulversintertechnologie verwendet haben, die als RPM (reentrantporous microchannels) bezeichnet wird.Hydraulischer Durchmesser 786 μm.Experimente zeigen, dass die Struktur die Wärmeübertragungsleistung der Mikrokanal-Einphasenströmung und der Zweiphasenströmung stark verbessern und die Instabilität der Zweiphasenströmung verringern kann.Einige Gelehrte haben eine dreidimensionale numerische Analyse und Optimierung der Parameter der Seitenwandrillen des Mikrokanals durchgeführt und eine trapezförmige Rille mit einem Rillenspitzenlängenverhältnis von 0,5 erhalten.Der Mikrokanal mit einem Rillentiefenverhältnis von 0,4, einem Rillenabstandsverhältnis von 3,334 und einem Rillenrichtungsverhältnis von 0 hat die beste Wärmeübertragungsleistung und den minimalen Strömungswiderstand.Um die Strömung innerhalb des Mikrokanals und die Wärmeübertragungsleistung zu verbessern, haben Forscher auch viele Mikrokanal-Wärmetauscher mit unterschiedlichen Strömungskanalformen entworfen, wie z Mikrokanal-Wärmetauscher wie Schichten und Mikrokanal-Wärmetauscher mit kleinen Hohlräumen usw. Wissenschaftler haben auch Untersuchungen an einigen Strömungskanälen mit spezieller Struktur durchgeführt und herausgefunden, dass die Verwendung einiger Strömungskanäle mit spezieller Struktur die Wirkung haben kann, die Wärmeübertragung zu verbessern .Beispielsweise wird der lineare Mikrokanal verbessert und der Wellenmikrokanal mit rechteckigem Querschnitt vorgeschlagen.Die Ergebnisse der einphasigen Simulation zeigen, dass der wellenförmige Mikrokanal Wirbelströme erzeugen kann, den konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten verbessert und einen geringeren Druckabfall aufweist als der lineare Mikrokanal.Diese Studie zeigt auch, dass die relative Amplitudenänderung entlang der Strömungsrichtung keinen großen Einfluss auf die Kompaktheit und Effizienz des Mikrokanals hat.Das Verringern der Wellenlänge des Wellenmikrokanals kann die Temperaturverteilung der Ausrüstung gleichmäßiger machen und die Erzeugung lokaler Überhitzung verringern.Drei Arten von porösen, miteinander verbundenen Mikrokanalnetzwerken wurden durch Kupferpulversintern und Drahterosionsbearbeitung hergestellt.Im Test wird geschlussfolgert, dass der poröse, miteinander verbundene Mikrokanal von 0,4 mm die beste Wärmeübertragungsleistung und die Fähigkeit hat, die Instabilität der Zweiphasenströmung zu mildern.Darüber hinaus haben einige Gelehrte eine bionische Mikrokanaltopologie entworfen, wie z. B. Blattvenen-Mikrokanaltopologie, menschliche Luftröhrenbaumtopologie, Spinnennetztopologie, Flussnetzwerkstruktur, Wabenstruktur und Insektenflügelvenenstruktur.

Gemäß den numerischen Berechnungsergebnissen hat die topologische Struktur jedes biomimetischen Mikrokanals im Vergleich zum rechteckigen Chip mit Ausnahme der Flussnetzstruktur eine stärkere Wärmeableitungskapazität als der gewöhnliche rechteckige flache Mikrokanal.Und mit zunehmender Wärmeflussdichte des Chips wird der Unterschied in der Wärmeableitungskapazität verschiedener Mikrokanalstrukturen deutlicher.Daher hat bei der Anwendung von Chips mit hoher Wärmeflussdichte die Mikrokanaltopologie einen großen Einfluss auf die Wärmeableitungswirkung des Chips.Experimenten zufolge hat sich herausgestellt, dass die Spinnennetzstruktur die Vorteile einer großen spezifischen Oberfläche zur Wärmeableitung, eines hohen durchschnittlichen konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten und einer guten Fluidströmungsleistung aufweist.Seine umfassende Wärmeableitungsleistung ist optimal und der Eingangs- und Ausgangsdruckabfall ist geringer, was einen guten technischen Anwendungswert hat.

Umfangreiche Untersuchungen zur Mikrokanalstruktur haben das hervorragende Wärmeableitungspotenzial und die breiten Entwicklungsperspektiven der Mikrokanal-Kühltechnologie aufgezeigt und auch eine solide Grundlage für die weitere Verbreitung und Anwendung der nachfolgenden Mikrokanal-Kühltechnologie gelegt.Neben der Größenstruktur ist auch die Phasenänderung des Fluids im Kanal einer der wichtigen Faktoren, die die Wärmeableitungsfähigkeit des Mikrokanals beeinflussen.Je nachdem, ob sich die Flüssigkeitsphase ändert oder nicht, kann die Mikrokanaltechnologie in zwei Arten unterteilt werden: Mikrokanal-Einphasenkühlung und Mikrokanal-Strömungssiedekühlung (Zweiphasenkühlung).Im Folgenden werden die bestehenden Studien zu einphasigen und zweiphasigen Mikrokanälen gesichtet und analysiert.

2. Mikrokanal Seinphasig Cölen TTechnologie

Einphasenkühlung bedeutet, dass das Kühlmedium während des gesamten Kühlvorgangs im gleichen Zustand (normalerweise flüssig) bleibt, ohne zu sieden oder zu kondensieren.Verglichen mit der einphasigen Kühlvorrichtung (System) im herkömmlichen Maßstab hat die einphasige Mikrokanal-Kühlvorrichtung (System) eine größere Wärmeübertragungsfläche und einen Mikroeffekt bei gleichem Volumen, und die Gesamtwärmeableitungsleistung ist stärker .Es ist ersichtlich, dass Wasser im Mittelpunkt der experimentellen Mikrokanal-Einphasenforschung steht.Derzeit gibt es große Erwartungen an die Anwendung der Mikrokanal-Kühltechnologie im Bereich der Elektronikchip-Kühlung.Daher verwenden viele experimentelle Studien elektronische Chips direkt als Wärmequellen, um die Wärmeübertragungsleistung von Mikrokanal-Kühlkörpern zu analysieren.Die meisten der in Experimenten getesteten Mikrokanallängen liegen im Bereich von 10–20 mm.

Im Gegensatz dazu gibt es nur wenige Studien zu modularen IGBT-Modulprodukten.Die Gesamtgröße des IGBT-Gehäusemoduls ist im Vergleich zu elektronischen Computerchips relativ groß.Üblicherweise müssen Mikrokanäle mit einer Länge von mehr als 50 mm ausgelegt werden, was für eine einphasige Kühlung ungünstig ist.Da ein längerer Kanal einen größeren Temperaturunterschied zwischen Einlass und Auslass verursacht, kann er das Risiko eines thermischen Durchgehens des IGBT-Gehäusemoduls aufgrund ungleichmäßiger Temperatur erhöhen.Dies ist ein Problem, das nicht ignoriert werden kann, wenn die Mikrokanal-Einphasen-Kühltechnologie auf das IGBT-Wärmemanagement angewendet wird.Einige Wissenschaftler haben zu diesem Thema geforscht, wie z. B. die Entwicklung eines integrierten Dampfkammer-Mikrokanal-Flüssigkeitskühlers für Hochleistungs-IGBTs, um die Temperaturgleichmäßigkeit der einphasigen Mikrokanalkühlung zu verbessern.Integrieren Sie den Mikrokanal-Kühlkörper in die Dampfkammer.Durch den Vergleich des integrierten Mikrokanal-Kühlkörpers mit dem einfachen Mikrokanal-Kühlkörper wird die hervorragende Gesamtleistung des integrierten Mikrokanal-Kühlkörpers verifiziert.Dies liefert wichtige Einblicke in die Anwendung von einphasigen Mikrokanal-Kühlkörpern für das Wärmemanagement von Hochleistungs-IGBTs.

3. Kühltechnologie mit Mikrokanal-Durchflusssieden (zweiphasig).

Strömungssieden (Zweiphasenkühlung) ist hauptsächlich ein Kühlverfahren, bei dem Wärme durch die Phasenübergangswärmeabsorption während des Flüssigkeitsstromsiedens abgeführt wird.Basierend auf den Wärmeübertragungseigenschaften des Strömungssiedens und dem Mikroeffekt von Mikrokanälen hat die Strömungssiedekühlung in Mikrokanälen die Vorteile einer kompakten Kühlerstruktur, einer starken Wärmeübertragungskapazität, eines hohen Wärmeübertragungskoeffizienten, einer guten Temperaturgleichmäßigkeit und einer geringeren Ladung des Arbeitsmediums..Der Einsatz von Mikrokanal-Strömungssiedekühlung ist eine der hervorragenden Lösungsmöglichkeiten, um die große Temperaturdifferenz zwischen Einlass und Auslass bei der einphasigen Kühlung zu verringern.Einige der Anwendungsforschungsergebnisse der Mikrokanal-Strömungssiedekühlung im Bereich des IGBT-Wärmemanagements sind wie folgt.Mit dem Ziel der Mikrokanal-Siedewärmeübertragung unter der Bedingung großer Größe und hoher Wärmestromdichte des IGBT-Moduls wurde der Einfluss unterschiedlicher Heizrichtungen auf die Mikrokanal-Siedewärmeübertragung experimentell mit R134a als Kühlmedium untersucht.Die Forschungsergebnisse zeigen, dass es im Mikrokanal zwei Wärmeübertragungsmechanismen gibt: Blasensieden und erzwungenes Konvektionssieden.Die Wärmeübertragungsleistung der Unterhitze ist besser als die der Oberhitze.Auch der Massenstrom des Fluids im Kanal und die Wärmestromdichte der Heizfläche haben einen wichtigen Einfluss auf die Wandtemperatur und den Wärmeübergangskoeffizienten des Mikrokanals.Die Forschung fasst auch die modifizierte Wärmeübertragungskorrelation basierend auf den experimentellen Daten zusammen, die den Wärmeübertragungskoeffizienten bei Erwärmung der Oberseite mit einem durchschnittlichen Fehler von 16,6 % genau vorhersagen können.Einige Gelehrte haben Kühlexperimentsysteme mit natürlicher Zirkulationsleistung und erzwungener Zirkulationsleistung eingerichtet, die für IGBT-Module geeignet sind.Die Start- und Wärmeübertragungseigenschaften des Mikrokanal-Kühlsystems mit natürlicher Zirkulation, die Eigenschaften und Regeln der Strömungssieden-Wärmeübertragung von R134a im Mikrokanal, die Umwandlung des R134a-Strömungsmusters und die Umwandlung des Wärmeübertragungsmechanismus im Mikrokanal untersucht.Die Mikrokanalstruktur wurde basierend auf experimentellen Daten und theoretischer Forschung optimiert.Derzeit gibt es nur wenige diesbezügliche Studien zur Anwendung der Mikrokanal-Siedekühlung auf die Wärmeableitung von IGBT-Modulen.Es fehlt an Forschung zum strukturellen Design des Mikrokanal-Strömungssiedekühlkörpers mit einer größeren Struktur für das IGBT-Modul, einer längeren Kanallänge, dem tatsächlichen Wärmeableitungseffekt und der Auswahl des Massendurchflusses bei unterschiedlichem Wärmefluss Dichten.Die tatsächliche Wirkung der Mikrokanal-Siedekühlung auf den Wärmeableitungseffekt und die Verbesserung der Temperaturgleichmäßigkeit des IGBT-Moduls muss weiter erforscht und verifiziert werden.

Obwohl es nur wenige Studien zur Anwendung des Mikrokanal-Strömungssiedens auf IGBT-Wärmeableitungsfelder gibt, haben Wissenschaftler umfangreiche Untersuchungen zum Wärmeübertragungsmechanismus und zu Faktoren durchgeführt, die die Wärmeübertragungsleistung der Mikrokanal-Strömungssieden-Wärmeübertragung beeinflussen, und bestimmte Forschungsergebnisse erzielt.

Die Wärmeübertragung durch Sieden durch Mikrokanalströmung ist komplizierter als die Wärmeübertragung durch Einphasenströmung, und es gibt viele Einflussfaktoren.Die Forschungsrichtung ist breit gefächert und umfasst die Entwicklung des Siedewärmeübertragungs-Strömungsmusters, der Blasendynamik, der Siedewärmeübertragung und der Wärmeübertragungseigenschaften, der Wärmeübertragungszuverlässigkeit und der Strömungsstabilitätsforschung.Siedewärmeübertragung hat die Wechselwirkung zwischen Blasen und Flüssigkeit.Es gibt unterschiedliche Strömungsmuster innerhalb des Kanals, und unterschiedliche Strömungsmuster wirken sich direkt auf den Wärmeübertragungseffekt auf der Oberfläche des Mikrokanals aus, was große Herausforderungen für die Untersuchung des Wärmeübertragungsmechanismus mit sich bringt.Die Wärmeübertragung durch Fließsieden in Kanälen mit normalem Maßstab wird durch zwei grundlegende Mechanismen beeinflusst.Einer ist der dominante Mechanismus des Blasensiedens, der mit der Bildung von Blasen an der Wandoberfläche und der Dynamik der Blasen zusammenhängt.Der andere ist ein konvektionsdominierter Mechanismus, der mit der Leitung und Konvektion durch den Flüssigkeitsfilm zusammenhängt.Die vorliegenden Forschungsergebnisse zum Wärmeübertragungsverhalten von Mikrokanälen zeigen, dass auch der Fließsiede-Wärmeübergang in Mikrokanälen den Einfluss dieser beiden Wärmeübertragungsmechanismen hat.Der dominante Mechanismus des Keimsiedens hängt stark vom Wärmestrom ab, während der konvektive dominante Mechanismus stark vom Massendurchsatz abhängt.Die kombinierte Wirkung der beiden Mechanismen macht die Wärmeübertragungseigenschaften des Strömungssiedens sehr kompliziert.Zusätzlich zu dem mikroskaligen Einfluss reichen die meisten der traditionellen Korrelationen der Strömungssieden-Wärmeübertragung nicht aus, um die Strömungssieden-Wärmeübertragung in mikroskaligen Kanälen vorherzusagen.Es ist schwierig, eine einheitliche Beschreibung des Wärmeübertragungsmechanismus unter verschiedenen Arbeitsflüssigkeiten, verschiedenen Kanalstrukturen und verschiedenen Strömungsmustern zu erhalten, und es bedarf weiterer Forschung.Die experimentellen Forschungsergebnisse der Mikrokanal-Strömungssiedekühlung werden zusammengefasst.Wissenschaftler haben eine große Anzahl experimenteller Studien unter verschiedenen Arbeitsflüssigkeiten, verschiedenen Kanalzahlen und verschiedenen Arbeitsbedingungen durchgeführt.Das Gesetz bietet eine solide experimentelle Grundlage.

Im Allgemeinen besteht der größte Teil der aktuellen Forschung darin, den Wärmeübertragungsmechanismus als Hauptzweck zu untersuchen.Viele Gelehrte haben die Wärmeübertragungseigenschaften und den Mechanismus des Siedens der Mikrokanalströmung im Hinblick auf eine gleichmäßige Erwärmung untersucht.Der Unterschied zwischen der gleichmäßigen Erwärmungsszene und der ungleichmäßigen Erwärmungsszene wie dem IGBT-Modul führt jedoch dazu, dass die Wärmeübertragungseigenschaften des entsprechenden Mikrokanal-Strömungssiedekühlkörpers und die bei der Konstruktion zu berücksichtigenden Faktoren unterschiedlich sein können.Darüber hinaus macht es die Komplexität des Wärmeübertragungsmechanismus des Mikrokanalströmungssiedens immer noch unmöglich, überzeugende und klare Schlussfolgerungen zu ziehen.Die Eigenschaften der Mikrokanalströmungs-Siedewärmeübertragung sind unter verschiedenen Arbeitsflüssigkeiten, verschiedenen Kanalstrukturen, verschiedenen Anwendungsszenarien und experimentellen Bedingungen unterschiedlich.Gleichzeitig achtet das Wärmeableitungsdesign des IGBT-Moduls nicht nur auf die Temperaturgleichmäßigkeit zwischen den internen Chips, sondern muss auch die Beziehung zwischen der Temperaturverteilung verschiedener Chips und den relativen Positionen von Einlass und Auslass berücksichtigen. die vernünftige Länge des Mikrokanals und das teilweise Trocknen der Flüssigkeit im Mikrokanal.Phänomen und andere Probleme.Die Lösung dieser Probleme wird der Schlüssel zur weiteren Verbreitung und Anwendung der Mikrokanal-Strömungssiedekühlung im Bereich des Wärmemanagements von IGBT-Modulen sein.