基于EHD的多针离子风散热结构的研究

发布时间：2020-08-15 18:42

【摘要】：随着科技的快速发展,各种电子产品不断出现在人们的生活中,为人们的生活带来方便的同时,电子器件由于散热不及时导致元件温度过高发生严重损坏的情况也是屡屡发生,电子器件的散热问题逐渐成为人们比较关心的问题。因此,如何将电子器件的温度控制在合理范围之内成为了现今科技中急需解决的问题。离子风散热技术是一种较为新型的电子器件冷却技术,在离子风散热技术的基础上本文对多针-环与多针-网两种多针离子风结构进行了研究,主要的研究内容有以下几个方面:首先根据静电场的基本方程与电场叠加原理,推导出了多针-环与多针-网结构的场强计算公式,结合空间电荷场与流场的基本方程建立了离子风多物理场耦合的数学模型,并对建模过程中需要考虑的边界条件进行了介绍。其次基于所建立的数学模型利用COMSOL Multiphysics软件对针数n、电压U、电极间距d以及相邻针尖距s对多针-环与多针-网结构风速的影响进行了研究,并对其结果进行分析,得到了在不同因素下离子风的变化规律,为后续的实验研究提供了指导。最后通过实验平台测量了各因素下离子风结构的风速,并将得到的实验结果与仿真结果进行对比分析;采用响应曲面法拟合得到风速与各影响因素之间的经验公式,并通过实验验证了该公式可对离子风结构设计提供相应的指导;为了提高离子风结构的散热能力,对离子风结构用于芯片散热的可行性与散热效果进行验证,通过正交优化试验对散热器进行了优化。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN03
【图文】：

2.1离子风产生机理2.1.1电晕放电在施加高电压情况下一种气体产生局部自持放电的现象被称之为电晕放电。由于各种因素的存在，导致形成的电子不能汇聚成电流，无法实现气体导电的目的，不过若是施加高压电在一对或者多对曲率半径存在较大差异的电极上，则电场强度高于气体电离场强的区域就会在电晕电极周围形成，导致气体进行电离与激励，使气体从绝缘状态变化为导电状态，并且气体的内阻快速减小，同时此过程中会出现昏暗的辉光现象并会有“嘶嘶”的声音发出。由于施加的电压为高电压，导致少量之前存在于电晕电极附近的电子与离子获得相当大的速度，并与中性气体分子不断发生碰撞，由动量守恒原理得出，这种碰撞使电子与离子的动能减小，破坏了气体分子的最外层结构从而使最外层电子变为自由电子与离子并开始碰撞其它气体分子，形成了更多的电子和离子，“电子雪崩”现象是在上述过程多次循环下形成的，如图 2.1 为电晕放电过程[40]。

图 2.2 离子风碰撞模型 在图 2.2 中，曲率半径很小的尖电极放电，然后通过电压范围处于尖电极的起压与击穿电压之间的直流高压电源来提供所需的高电压，对于曲率半径来说，电极必须远小于接地电极。 基于图 2.2 中的模型可知，电极之间的区域包括了两个部分，即电离区和单极漂移区，这两个部分的分界面是电离边界层。在电离区内电离的气体分子会形成带电离子以及自由电子，在运动过程中带电离子与自由电子会在中性气体分子上，从而将中性气体分子改变成负粒子，正离子、电子以及负离子会发生复合变为分子，电离边界层是在气体分子的电离、电子的吸附以及正离子的复合三者之间动态均衡时产生的。当粒子的极性与与放电极相同时，该粒子会被排斥出电离区过电离边界层进入到单极电荷漂移区内，同时该粒子会与气体分子发生动能传递而引起气流运动。 简而言之，在电晕放电过程中，放电极周围在高压电场的作用下形成大量正离子于电场力的存在，这些粒子会集中到放电极附近，然后和负离子结合在一起，这

西安电子科技大学硕士学位论文离子风数值模拟的相关知识涵盖了多个学科和领域，其中就包括了流体力学、电动力学等。为了有效的耦合离子风多物理场，本文对离子风进行数值模拟分析时采用了 COMSOL Multiphysics 软件。 3.1.2离子风多物理场耦合的仿真分析根据第二章建立的数学模型，使用 COMSOL Multiphysics5.3 仿真软件对离子风模型进行数值模拟分析。 静电场控制方程电势分布图

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