近年来,芯片在电子产品设备中的应用广泛且多样,并且芯片工艺制程越来越先进,芯片的封装密度和功率密度越来越高。随之而来的是芯片单位面积上的发热量急剧增加,高热流密度(100-1000 W/cm~2)散热的时代已经到来。作为高热流密度散热最具现实可行性的技术途径之一,微通道散热器发展迅速。由上海交通大学非硅微纳集成制造课题组提出的金属陶瓷复合结构微通道散热器,具备体积小、热机械稳定性高、散热能力强等综合优势,基于适度集成UV-LIGA工艺研制的早期样品散热能力已达到200 W/cm~2水平,随着研究开发的深入,近来散热能力又有大幅度提升,展示了优越的高热流密度散热能力和综合能力进一步提升的潜力。为了探索进一步提升其各方面性能的可能性,针对其单一流道+扰流柱的现有复合微通道设计方案,本文首先系统研究了以多种多流道系统代替单一流道+扰流柱设计的强化散热和热点抑制效果;然后探讨了扰流柱侧倾对散热能力的影响;接着研究了适用纳米流体对这类散热器散热能力提升的作用;在仿真分析结果指引下,基于适度集成UV-LIGA工艺研制了多种多流道系统微通道散热器样品,并完成了测试验证试验。具体研究进展如下:1、首先系统分析了多流道微流道设计技术的国内外研究现状,结合单通道+扰流柱体系散热器研究的经验和技术积累,经反复论证提出了辐射状流道、波浪状流道、叶脉状流道、交错状流道等几种典型的多流道系统布局设计方案,然后采用CFD软件建立有限元模型,围绕上述各典型设计方案的流道布局、通道尺寸、通道间隔、互通结构、进出口位置和压差变化等结构和操作因素对散热能力的影响进行数值仿真,并结合微流体和微区传热学知识进行机制分析,探索适应金属-陶瓷复合微通道散热器特点的最优化多流道系统设计方案。仿真分析结果显示,辐射状流道的分区角度越小,芯片表面最高温度越低,但出水口的对角区域流速较低,不能进行高效的热交换;波浪状流道的弯曲对于温度降低有显著的效果,因为这样能破坏边界层;叶脉状流道中的渐变流道的方案较为合适,在热源集中的区域排布小尺寸流道,增大固液换热面积,靠近出入口的区域排布大尺寸流道以减小压降;交错状流道各种样式区别较小。2、采用适度集成UV-LIGA技术,研制了多流道系统散热器样品,完成了散热能力比较测试。测试结果表明,对于波浪状流道来说,流道波浪数目弯曲越大,散热效果越好。在50 ml/min的流速和50 W/cm~2的功率密度下,对于直微通道,大波浪形微通道和小波浪微通道散热器热源的表面最高温度分别为322.9 K,322.2 K和321.8 K,而仿真结果分布为324.8 K,323.8 K和323.6 K。可以看出,实验测试结果优于仿真分析的预期,但它们有拥有完全一致的变化趋势,验证了设计思想的合理性。3、对于扰流柱倾斜设计,仿真结果显示,扰流柱倾斜有显示了稍轻微提升强化散热能力的效果,但提升幅度并不显著,考虑到倾斜扰流柱加工的难度颇高,这种设计方案不值得更深入研究。4、关于在金属-陶瓷复合结构微通道散热器中适用纳米流体的设想,仿真和实验结果显示,在50 W/cm~2的功率密度下,氧化铜颗粒体积分数从1%增加到2%,CFD模拟的芯片表面最高温度降低温度0.99%,表明纳米流体对金属-陶瓷复合结构微通道散热器的强化散热效果并不显著,考虑到有可能存在的微通道堵塞危险,在该体系中适用纳米流体也并不可取。