[發明專利]一種超高熱流射頻微系統的近結冷卻結構設計方法

有效

• 申請號: 202010632957.3
• 申請日: 2020-07-02
• 公開（公告）號: CN111832206B
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發明（設計）人: 李寶童;閆素娜;謝晨寒;徐俊豪;洪軍
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F111/04
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

一種超高熱流射頻微系統的近結冷卻結構設計方法，先進行設計區域的離散，然后根據實際工況設置邊界條件，并引入與偽密度值相關的反滲透率和導熱率對設計區域進行有限元模型的初始化，根據斯托克斯流模型和對流擴散方程進行有限元分析，通過迭代計算的方式得到流場和溫度場的信息，再利用得到的物理場信息計算目標函數，約束函數以及目標函數和約束函數對設計變量的靈敏度，在MMA算法更新下迭代，直到同時滿足在設計過程中允許的最大流體體積占比值和在設計過程中允許的最大出入口處壓力差，或迭代次數達到設定的最大迭代次數；本發明提高了設計可靠性，具有更高設計效率，更優設計結果，同時降低了設計成本。

技術領域

本發明涉及射頻微系統的冷卻結構設計技術領域，特別涉及一種超高熱流射頻微系統的近結冷卻結構設計方法。

背景技術

超高熱流射頻微系統在工作過程中出現的發熱問題已成為其失效的重要原因，當芯片所承受的熱流密度達到10⁵W/m²，進入高熱流密度范圍時，由熱因素引起的射頻微系統的可靠性問題變得更加突出。

為了解決射頻微系統的散熱問題，已有研究提出直接在芯片背面近結生長出冷卻微流道，實現芯片與冷卻微流道的一體化。但在工程實際中，微流道的結構設計又多依賴于設計人員的經驗及靈感，設計人員依靠經驗與直覺進行初始設計，再通過多次實驗來對初始設計進行修正。這種設計方法效率低下，阻礙了冷卻微流道性能的提高，無法滿足設計要求。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種超高熱流射頻微系統的近結冷卻結構設計方法，在提高近結冷卻微流道散熱性能的同時極大地提高了設計效率。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種超高熱流射頻微系統的近結冷卻結構設計方法，包括以下步驟：

1)設計區域的離散：近結冷卻微流道沿水平中心線呈現上下對稱，中間流道區域的大小為L(mm)×L(mm)，流道區域的左右兩側分別是大小為L/4(mm)×L/4(mm)的出入口區域，設計區域僅包括中間的流道區域；將設計區域離散為Nelx×Nely個有限元單元，離散后的設計區域包含Nelx行，Nely列；

2)設計區域初始化設置：

2.1)斯托克斯流模型的使用：設定設計區域的流體流動狀態為層流，在設置反滲透率的情況下，采用斯托克斯流模型計算，得到近結冷卻微流道內的速度場與溫度場信息；將近結冷卻微流道內的冷卻液定義為具有導熱率k_w，反滲透率κ_w的材料，并將近結冷卻微流道的固體定義為具有導熱率k_s，滲透率κ_s的材料，導熱率k_S＞k_w，反滲透率κ_w＜κ_S；

2.2)依照SIMP算法進行設計區域的初始化設置：賦予每個離散后的有限元單元一個偽密度值x，近結冷卻微流道的最終流道結構由所有有限元單元的偽密度值表示，當x＝0時，有限元單元表示高導熱率高反滲透率的固體材料，當x＝1時，有限元單元表示低導熱率低反滲透率的流體材料，通過偽密度建立單元材料與導熱率和反滲透率的關系，并引入懲罰因子p抑制偽密度值介于0和1之間的有限元單元，具體有限元單元的導熱率和反滲透率與偽密度的函數關系如下：