Actieve koelvloeistofstroomregeling voor energiezuinige geïntegreerde microstraalkoeling op pakketniveau

Vloeistofkoeling is een veelbelovende techniek voor het koelen van high-performance en high-power toepassingen. Typische oplossingen voor vloeistofkoeling bestaan uit een afzonderlijke koeleenheid met veel parallelle microschaalkanalen, die op de chip is gemonteerd met behulp van een thermisch interfacemateriaal als lijm. Voor hoogwaardige vloeistofkoelingsoplossingen vormt dit thermische interfacemateriaal het thermische knelpunt en voorkomt het dat het vermogensniveau voor toekomstige toepassingen wordt verhoogd. Om de bedrijfstemperaturen in elektronische chipverpakkingen te beperken, moet de thermische weerstand van deze interfacematerialen worden verminderd of idealiter worden geëlimineerd. In de afgelopen jaren is een op pakketniveau geïntegreerde vloeistofkoelingoplossing op basis van jetimpingement ontwikkeld die de vloeibare koelmiddelkoeling direct op de achterkant van de chip levert en het gebruik van het thermische interfacemateriaal vermijdt. Het vloeibare koelmiddel wordt op het chipoppervlak uitgestoten via een reeks parallelle verticale microjets. De koeloplossing, vervaardigd met behulp van goedkope kunststoffabricagetechnieken, vertoont hoge thermische prestaties, goede temperatuuruniformiteit en een kleinere koeler, terwijl er slechts een laag pompvermogen nodig is voor de circulatie van de koelvloeistofstroom. Om het aantal toepassingsmogelijkheden voor deze veelbelovende koelmethode te vergroten, willen we een actieve regeling van het debiet in de afzonderlijke vloeistofstralen introduceren om de temporele en ruimtelijke verdeling van het koelmiddeldebiet af te stemmen op de warmtebelasting van de chip en om de koeler te verbeteren. ontwerp om de koelere druppel te verminderen en de stroom- en temperatuurverdeling te verbeteren. Het doel van dit doctoraat is het ontwikkelen van een actieve aandrijvingsmethode en regelstrategie om de stroomsnelheid in de jets te regelen in functie van de lokale koelbehoefte om een constante chiptemperatuur te behouden en om de energie-efficiëntie van de koeler en de vloeistofkoelsysteem met gesloten circuit. Het ontwerp van het bedieningsmechanisme moet compact zijn om te worden geïntegreerd in de pakketniveaukoeler. In dit doctoraatswerk zijn de volgende activiteiten voorzien: 1) Modellering van de impact van het regelbare debiet. Deze taak omvat de geconjugeerde warmteoverdracht en stroom-CFD-simulatie van de stroomverdeling in de koeler, de drukval over de koeler en de resulterende temperatuurverdeling in de chip. 2) Ontwikkeling van een actieve aansturingsmethode en regelstrategie voor het regelen van de stroomsnelheid in de jets, afhankelijk van de lokale koelbehoefte om een constante chiptemperatuur te behouden en om de energie-efficiëntie van de koeler en de vloeistofkoeling met gesloten lus te verbeteren systeem. Het ontwerp van het bedieningsmechanisme moet compact zijn om te worden geïntegreerd in de pakketniveaukoeler. 3) Demonstratie van flow control op een geavanceerde thermische testchip voor de modelvalidatie en de experimentele karakterisering van de koeler. 4) Toepassing van topologie-optimalisatietechnieken voor de complexe interne geometrie van de impingementkoeler op chippakketniveau. Het doel is om de verbeterde geometrie van de koeler te fabriceren met behulp van 3D-printen met hoge resolutie en om de thermische prestaties van de koeler te karakteriseren met behulp van imecs thermische testchip met hoge resolutie.