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芯片中的高功率密度問題已成為制約芯片性能提高的瓶頸之一。硅基微通道散熱器（Si-MCHS）可以引導冷卻流體靠近芯片結，顯著提高冷卻能力。由于芯片功耗的快速變化，了解Si MCHS的流動和傳熱性能，特別是其動態傳熱性能至關重要。
最近，華中科技大學能源學院團隊利用光刻、刻蝕等工藝制作了Si MCHS，并對其靜態和動態性能進行了實驗測試。研究發現，Si-MCHS的溫度響應過程反映了一階系統的階躍響應或零輸入響應。當功耗突然變化時，熱響應可以在4秒內達到穩態溫差（ΔT）的90%，在1秒內達到50%ΔT。提高泵速會顯著縮短響應時間，而不同的功率階躍變化對響應時間的影響最小。該團隊根據Si-MCHS的流動和傳熱性能制定了一種分級流量控制策略，實現了有效的流量控制。該研究題為“Experimental Study on Dynamic Flow and Heat Transfer Performance of Silicon-Based Microchannel Under Variable Thermal Load”，已發表在熱力學與流體力學領域國際權威期刊《International Journal of Heat and Fluid Flow》該文的******作者為華中科技大學碩士研究生李美勇。該文所用到硅基微通道為安徽中鼎玉鉉新材料科技有限公司制作。
文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0142727X24003886?dgcid=author
圖1顯示了Si-MCHS的結構和尺寸。在硅基板上，刻蝕有直徑為625微米、高度為300微米的銷釘鰭片。這些銷釘鰭片以交錯模式排列成11行11列。將石英玻璃蓋板與硅基板粘合，形成流動通道。使用陶瓷加熱器來模擬尺寸為10×10×1毫米3的芯片。基于芯片封裝結構，在陶瓷加熱器和Si-MCHS之間有一層厚度為100微米的熱界面材料(TIM)層。
圖2展示了制造的Si-MCHS。圖2(a)顯示，硅晶片的未刻蝕區域呈現出類似金屬的光澤。圖2(b)說明銷釘鰭片具有良好的垂直度，上表面光滑，中間和下部有明顯的刻蝕痕跡，這是由于刻蝕氣體和等離子體在刻蝕深度增加時引起的側向刻蝕的結果。圖2(c)顯示了刻蝕底部表面上有許多刻蝕的微坑，由于漫反射，這些微坑呈現出灰白色。圖2(d)展示了石英玻璃與硅基板之間的粘合是有效的，粘合界面對齊良好，硅與石英玻璃之間的粘合緊密?？偟膩碚f，Si-MCHS已經達到了預期的設計目標。
這篇文章制造了Si-MCHS，并構建了一個配備實時信號采集、流量調節等功能的測試裝置。對Si-MCHS的靜態和瞬態性能進行了實驗研究。此外，基于Si-MCHS處理熱源時泵工作模式、熱交換熱阻和摩擦因子的模式，設計了一種流量分級控制策略。
隨著泵速的增加，Qv、Vin、Vmax呈線性增加；ΔPSi-MCHS基本上隨著泵速的增加而指數增長；摩擦因子先是快速下降，然后隨著泵速的增加而緩慢下降。
實驗證明，當功耗突然增加或減少時，Theater的響應過程是一階系統的單位階躍響應或零輸入響應。Si-MCHS具有快速的響應速度，Theater基本上可以在4秒內達到90%的ΔT，并且在1秒內可以達到50%的ΔT。增加泵速將顯著縮短響應時間。
圖4 在突然的功耗變化期間，Theater 達到不同ΔT百分比所需的時間。
總之，文章主要闡明了Si-MCHS的動態響應過程和響應速度，制定的流量控制策略與Si-MCHS的流動和熱傳遞性能相符，為基于硅的微通道芯片的集成冷卻提供了重要的參考。
