拓扑优化在电子散热中的应用研究
发布时间：2022-01-01 00:22
随着电子芯片向小型化、集成化和低成本化发展,芯片功耗密度增大,单位面积内高热流密度问题加重,电子芯片的发热问题已成为微电子行业发展的瓶颈之一,研究表明温度过高是引起的电子元件的失效的主要原因。芯片的正常运作依赖于电子设备散热结构诸如从发热区域热输出的导热网络、平板热管和散热翅片的散热性能。本文针对电子设备散热结构优化,利用基于变密度方法拓扑优化方法对上述结构进行了优化计算:（1）进行了非均匀热源和不同形状设计区域的平面导热网络优化计算,并将平面导热网络优化推广到三维发热体的结构优化问题上。（2）将平板热管槽道换热问题类比成导热材料布置问题,对平板热管的内部槽道进行辅助设计,模拟实验表明优化结构温度场的均匀性优于普通纵横交错式网状槽道结构。（3）对流换热系数采用Logistic分类模型插值,优于通常采用的阶跃函数插值,使目标函数降低了28.7%,并提出了预设拓扑优化方法,成功应用到较长流道自然对流翅片的结构优化研究上,使基板平均温度降温5.9K。（4）基于变密度法的拓扑优化方法有灰度单元格数目的过多,造成拓扑优化结构边界模糊的问题,为解决上述问题提出了元胞自动机处理法,预设处理法和混合法...
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
芯片热流密度增长趋势
第一章 绪论然而人们对电子设备更快的运算速度，更大的处理容量，更小的体积，更久的使用寿命的需求，一方面使电子芯片单位面积热流密度急剧增加，以电子芯片为例从二十世纪五十年代 WilliamShockley 等成功地在贝尔实验室制造出第一个晶体管，到发达地区平均人手一部以上电子设备的二十一世纪初期，芯片热流密度呈现接近几何增长的规律[5]，预计到未来的 2020 年高性能微处理器芯片的最大功耗和热流密度分别会达到 360W 和 190W/m2左右,如图 1-1 所示，且电子芯片的尺寸也逐年递减，根据预测到 2020 年，晶体管尺寸会减小到 6nm，晶体管密度会上升至约 200 亿晶体管/cm2。芯片尺寸也预计会达到在 100mm2左右，如图 1-2 所示。
图 1-3 芯片散热相关文献发表数量Fig.1-3 Amount of the published articles relevant to chips’ cooling芯片失效的本质是产生了电子碰撞现象，电子碰撞的概率与温度成正相关，即温度越高电子的内能越大，从而整个系统越不稳定，发生电子与原子碰电子与电子碰撞事件的可能性增加，导致芯片可靠性的下降[6]，如图 1-4 所示
【参考文献】：
期刊论文
[1]结构拓扑优化变密度法的灰度单元等效转换方法[J]. 吴一帆,郑百林,何旅洋,杨彪. 计算机辅助设计与图形学学报. 2017(04)
[2]仿叶脉分形结构在均热板蒸发端的实验研究[J]. 刘旺玉,王力,罗远强. 华南理工大学学报(自然科学版). 2017(01)
[3]散热结构拓扑优化目标函数适用性讨论[J]. 侯丽园,丁晓红. 半导体光电. 2016(02)
[4]抑制拓扑优化中灰度单元的双重SIMP方法[J]. 张志飞,徐伟,徐中明,贺岩松. 农业机械学报. 2015(11)
[5]基于密度-敏度层次更新策略的三维连续体结构拓扑优化[J]. 田启华,王进学,杜义贤,王涛. 工程设计学报. 2015(02)
[6](火积)理论及其应用的进展[J]. 陈林根. 科学通报. 2012(30)
[7]A new solution for topology optimization problems with multiple loads:The guide-weight method[J]. LIU XinJun,LI ZhiDong & CHEN Xiang State Key Laboratory of Tribology & Institute of Manufacturing Engineering,Department of Precision Instruments and Mechanology,Tsinghua University,Beijing 100084,China. Science China（Technological Sciences）. 2011(06)
[8]散热结构拓扑优化目标函数的讨论[J]. 乔赫廷,张永存,刘书田. 中国机械工程. 2011(09)
[9]拓扑相关热载荷作用下稳态热传导结构拓扑优化[J]. 张晖,刘书田,张雄. 中国机械工程. 2009(11)
[10]稳态热传导下的连续体结构拓扑优化[J]. 龙凯,左正兴. 中国机械工程. 2007(24)
博士论文
[1]基于植物叶片结构的仿生均热板研究[D]. 彭毅.华南理工大学 2015
[2]结构拓扑优化设计若干问题的建模、求解及解读[D]. 牛飞.大连理工大学 2013
硕士论文
[1]自然对流条件下一种新型结构散热器的散热研究[D]. 刘彦穹.上海交通大学 2015
[2]连续体结构及散热结构拓扑优化[D]. 蒋良杰.华中科技大学 2006
本文编号：3561275
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
芯片热流密度增长趋势
第一章 绪论然而人们对电子设备更快的运算速度，更大的处理容量，更小的体积，更久的使用寿命的需求，一方面使电子芯片单位面积热流密度急剧增加，以电子芯片为例从二十世纪五十年代 WilliamShockley 等成功地在贝尔实验室制造出第一个晶体管，到发达地区平均人手一部以上电子设备的二十一世纪初期，芯片热流密度呈现接近几何增长的规律[5]，预计到未来的 2020 年高性能微处理器芯片的最大功耗和热流密度分别会达到 360W 和 190W/m2左右,如图 1-1 所示，且电子芯片的尺寸也逐年递减，根据预测到 2020 年，晶体管尺寸会减小到 6nm，晶体管密度会上升至约 200 亿晶体管/cm2。芯片尺寸也预计会达到在 100mm2左右，如图 1-2 所示。
图 1-3 芯片散热相关文献发表数量Fig.1-3 Amount of the published articles relevant to chips’ cooling芯片失效的本质是产生了电子碰撞现象，电子碰撞的概率与温度成正相关，即温度越高电子的内能越大，从而整个系统越不稳定，发生电子与原子碰电子与电子碰撞事件的可能性增加，导致芯片可靠性的下降[6]，如图 1-4 所示
【参考文献】：
期刊论文
[1]结构拓扑优化变密度法的灰度单元等效转换方法[J]. 吴一帆,郑百林,何旅洋,杨彪. 计算机辅助设计与图形学学报. 2017(04)
[2]仿叶脉分形结构在均热板蒸发端的实验研究[J]. 刘旺玉,王力,罗远强. 华南理工大学学报(自然科学版). 2017(01)
[3]散热结构拓扑优化目标函数适用性讨论[J]. 侯丽园,丁晓红. 半导体光电. 2016(02)
[4]抑制拓扑优化中灰度单元的双重SIMP方法[J]. 张志飞,徐伟,徐中明,贺岩松. 农业机械学报. 2015(11)
[5]基于密度-敏度层次更新策略的三维连续体结构拓扑优化[J]. 田启华,王进学,杜义贤,王涛. 工程设计学报. 2015(02)
[6](火积)理论及其应用的进展[J]. 陈林根. 科学通报. 2012(30)
[7]A new solution for topology optimization problems with multiple loads:The guide-weight method[J]. LIU XinJun,LI ZhiDong & CHEN Xiang State Key Laboratory of Tribology & Institute of Manufacturing Engineering,Department of Precision Instruments and Mechanology,Tsinghua University,Beijing 100084,China. Science China（Technological Sciences）. 2011(06)
[8]散热结构拓扑优化目标函数的讨论[J]. 乔赫廷,张永存,刘书田. 中国机械工程. 2011(09)
[9]拓扑相关热载荷作用下稳态热传导结构拓扑优化[J]. 张晖,刘书田,张雄. 中国机械工程. 2009(11)
[10]稳态热传导下的连续体结构拓扑优化[J]. 龙凯,左正兴. 中国机械工程. 2007(24)
博士论文
[1]基于植物叶片结构的仿生均热板研究[D]. 彭毅.华南理工大学 2015
[2]结构拓扑优化设计若干问题的建模、求解及解读[D]. 牛飞.大连理工大学 2013
硕士论文
[1]自然对流条件下一种新型结构散热器的散热研究[D]. 刘彦穹.上海交通大学 2015
[2]连续体结构及散热结构拓扑优化[D]. 蒋良杰.华中科技大学 2006
本文编号：3561275
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