摘要：
随着全球商用5G时代的到来,半导体领域迎来又一次高速发展,5G芯片和模组的集成度和零件密度显著提升,5G设备的功耗和发热密度迅速增加,因此想要保证5G技术的领先地位,解决5G设备的热管理问题刻不容缓.多进出口微通道散热器可以有效地降低电子设备的平均温度,且使得温度均匀性得到改善,但传统的结构设计手段已不再能满足5G芯片模组的高热流的要求.因此本文采用设计灵活,针对性强的拓扑优化技术进行微通道散热器设计,并通过数值仿真进行了相关的流体流动和传热特性的研究分析,通过参数优化进一步挖掘了散热器性能的潜力,同时还进行了实验的分析验证,具体工作成果如下:首先,通过COMSOL Multiphysics 5.5多物理场仿真软件和MATLAB2017a数学软件相结合,对多进口多出口的基本构型进行拓扑优化,设定了均温最低和温度一致性最优两种目标函数,并通过数值拟合的方式确定最佳目标函数,最终得到了流体通道体积分数为0.6的均温最低模型和温度一致性最优模型的二维流道构型,均温最低模型流道数量少,有较大的固体鳍片,平均温度略低,温度一致性最优模型,固体鳍片体积小,流道数量多,温度均匀性较好.其次,通过solidworks2017将拓扑优化生成的两个流道构型转换为三维散热器模型,通过ANSYS Fluent 15.0仿真软件对均温最低模型和温度一致性最优模型进行了不同泵功率下的流动换热特性研究,并与传统设计的环形散热器形成对比,分别从平均努塞尔数,平均压降,温差,热阻等多方面进行了具体的研究,结果表明:在相同泵功率下,拓扑优化设计的散热器平均温度低,温差小,压降小,有着更好的综合性能,在拓扑优化的两个模型间,温度一致性最优模型,平均努塞尔数最大,温差最小,热阻最小,平均温度和平均压降与均温最低模型接近,综合散热性能最优.再次,通过数学软件MATLAB2017a,对温度一致性最优模型散热器通道高度W_(ch)和底板厚度W_b进行结构参数优化,使用曲线曲面拟合工具对以仿真的数据进行拟合,通过遗传算法进行单目标优化,最终得到最优的结构参数为散热器通道高度W_(ch)=6.2mm和底板厚度W_b=1.5mm,同仿真结果对比,优化误差为3.39%,在相同雷诺数下,优化后的散热器努塞尔数提高了157.24%.最后,搭建实验平台对温度一致性最优模型进行流动换热特性实验研究,记录相关数据,并进行分析,与仿真结果对比,努塞尔数的最大误差为4.2%,平均压降的最大误差为7.75%,两者吻合良好,同时还对实验中努塞尔数进行不确定分析,其努塞尔数的最大不确定性为4.37%.
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