随着电子系统向微型化发展,用于搭建电子系统的器件集成度越来越高,如无源元件、微电子器件芯片和大功率光电器件等。这些器件都面临着新的挑战:高热流密度、小型化、阵列化。这一趋势导致了集成电路设计中更高的功率密度和更严格的温度限制。得益于微流道的巨大换热面积占比,微流道散热器可以实现较传统水冷散热器高数倍甚至数量级的换热系数,有助于解决大功率器件和芯片的高热流密度的散热难题。微流道散热器工作时往往需要外接冷却流体驱动源,在冷却流体流量恒定的情况下,其散热能力是固定的,不能主动根据热源芯片的工况进行散热能力调整。但在实际应用中,功率芯片的功率并不是一成不变的,产生的热量也会随之变化;外部环境温度也会对其工作温度产生影响。因此功率芯片难以维持在恒定的工作温度,局部温度过高甚至会烧毁芯片。因此自适应散热对于功率芯片具有重要意义,可以根据芯片的实际工况调整散热能力,使芯片工作在稳定的适宜温度下。针对现有微流道散热技术的以上不足,本文提出了一种基于微流道散热器的自适应散热系统。系统包括微流道散热器、压电微泵、集成温度传感器、数据采集模块、驱动模块及自适应控制程序。其中主要对微流道散热器、自适应控制程序和自适应散热系统的搭建进行了研究。通过微流道散热器上的集成温度传感器,可以实时获得散热器上的温度信息,并据此调控压电微泵的输出流量,从而调整微流道散热器的散热能力,实现了功率芯片温度的精确控制以及不同工况下工作温度的稳定性。具体的研究工作如下:(1)对微流道散热器进行了仿真分析与实验制备。通过对单层微流道散热器和双层微流道散热器建立有限元模型,在相同的热源功率下对它们的散热能力和温度分布情况进行了研究。研究发现双层微流道散热器的散热能力远远优于单层微流道散热器。并通过激光刻蚀的方法,在800μm厚度的硅片晶圆上刻蚀制作了单层微流道散热器和双层微流道散热器。微流道长度为9mm,宽度50μm,深度500μm。(2)对微流道散热器的散热能力进行了测试。测试结果证明,微流道散热器的散热效果良好。在冷却液流量在1.68ml/min以上时,双层微流道散热器的散热能力达到了45℃的温降。且对于双层微流道散热器,当热源在两层微流道中间时,散热能力极为突出。YF结构(热源在两层微流道之间,且两层微流道中冷却液流向相反)在保证了优越的散热性能情况下,温度均匀性最好,Tmax与Tmin差值在2℃以内。(3)搭建了基于微流道散热器的自适应散热系统。主要从两个方面对系统进行了自适应散热能力测试:设定目标温度不变时,改变热源功率,系统自动控制温度保持基本不变;热源功率不变时,改变设定目标温度,系统自动控制温度变化至目标温度。在两种测试方法下,芯片级自适应散热系统工作稳定,自适应散热效果良好。如当热源功率从0.5w升高至0.9w时,热源工作温度在10s内从21.4℃上升到24.1℃;同一条件下,在自适应散热系统控制时,热源工作温度在10s内从21.4℃上升至21.6℃基本稳定。