来源 | Applied Thermal Engineering
01
背景介绍
当下在紧凑的封装中产生了大量的热量，下一代电子产品带来了重大的热管理挑战。将这些设备保持在工作温度内的能力会影响它们的整体性能和可靠性。因此，所采用的冷却机制在释放先进电子系统的全部潜力方面发挥着关键作用。这就需要开发具有高热的散热器和冷板几何形状表演。然而，这些部件的设计一直受到传统制造方法能力的限制。增材制造（AM）技术通过制造复杂的几何形状提供了一个有前途的解决方案。已经提出了各种有前途的方法来利用增材制造带来的设计自由；然而，通过组件的制造和测试来更好地了解这些设计方法的实际潜力和局限性。
02
成果掠影
近日，普林斯顿大学Justin A. Weibel团队通过结合均匀化的拓扑优化方法和增材制造开发高性能液冷冷板。该工作为具有8个器件的应用代表性多芯片模块的液冷冷板进行了拓扑优化、制造设计、制造和实验测试。冷板的设计要求和边界条件涉及8个等间距的热源和偏离中心的进/出液口，这给热设计带来了流动分布的挑战。提出了一种采用均匀化方法的拓扑优化算法，并选择圆形引脚鳍作为微结构。建立了增材制造钉片的经验渗透率相关性，并将其应用于拓扑优化算法的多孔介质流动模型中，模拟增材制造钉片的压降。除了拓扑优化设计之外，还评估了具有均匀分布的直径为1.2 mm的引脚鳍的基准冷板设计，该设计代表了所研究边界条件下目前应用中采用的特征尺寸。将使用增材制造带来的设计自由度生成的拓扑优化冷板与基准设计进行比较，突出了优化器在加热区域中均匀分布冷却剂的能力。基准设计的最大基本温升为35.5°C，而拓扑优化设计的最高温升为6.6°C。流动均匀性加上亚分辨率翅片和受热区域附近通道的高对流换热，使装置温度保持在较低水平。采用增材制造优化后的冷板，并在不同流量下进行了实验测试。实验结果与模型预测吻合较好，压降和热阻的平均绝对百分比误差分别为5.5%和9.7%，表明该算法可以在增材制造零件上实现所承诺的最佳性能。本文介绍的工作展示了均质化方法的整体工艺流程，该方法利用增材制造的能力来生成用于实际应用的高性能液体冷板。研究成果以“Experimental investigation of an additively manufactured cold plate for multi-chip module cooling generated using the homogenization approach to topology optimization”为题发表在《Applied Thermal Engineering》期刊。
03
图文导读
图1. (a)冷板设计空间和(b)均质方法中使用的拓扑优化单元格。
图3. (a)模拟区域，(b)网格尺寸为0.006 mm的区域近距离离散化。
图5.冷板实验测试截面的三维图(a)等距图和(b)有主要部件标记的前视图。
图6. (a)不同直径针鳍阵列的3D打印试验样品照片；(b)选定的三个针鳍阵列的光学显微镜图像。
图9. 采用图7.b所示的后处理拓扑优化设计增材制造冷板。
图10. 模型预测（虚线）和实验测量（方点）的(a)压降和(b)热阻的增材制造，拓扑优化冷板在不同流速下。
