طراحی و بهینه سازی ساختارهای درختی هدایتی در ابعاد میکرو و نانو برای خنک کاری قطعات الکترونیکی

در تحقیق حاضر تولید ساختارهای درختی در ابعاد میکرو و نانو برای خنک کاری قطعات الکترونیکی با تولید حرارت داخلی مورد بررسی قرار می گیرد. با گسترش و توسعه علوم و ساخت قطعات الکترونیکی در ابعاد بسیار کوچک، لزوم بررسی خنک کاری این قطعات که سطح حرارتی بسیار کوچکی دارند، بیش از پیش به چشم می خورد. کوچک بودن ابعاد این قطعات مانع از آن می شود که از انتقال حرارت جابجایی برای خنک کاری آنها استفاده شود. از این منظر می توان از مسیرهای درختی با ضریب هدایت حرارتی بالا برای خنک کاری این قطعات استفاده کرد. مدل های ساده ای برای خنک کاری قطعات دیسکی شکل و مستطیلی شکل با تولید حرارت داخلی در این تحقیق ارائه شده است. در تولید ساختارهای درختی برای خنک کاری قطعات با تولید حرارت داخلی از روش ساختاری بعنوان یک روش تحلیلی استفاده می شود. از سوی دیگر برای تایید نتایج بدست آمده از روش ساختاری و مدل تحلیلی مبتنی برآن از یک روش عددی برای حل عددی ساختارهای مربوطه استفاده می شود. همچنین ساختارهای دیگری نیز بر مبنای یک بهینه سازی عددی تولید می شوند که امکان حل تحلیلی آنها وجود ندارد. از آنجا که در ابعاد کوچک، تیغه ها با ضریب هدایت حرارتی بالا در ابعادی از مرتبه پویش آزاد حامل های انرژی واقع می شوند، خواص انتقالی و متعاقبا ضریب هدایت حرارتی آنها تابعی از ضخامت تیغه می شود، در این تحقیق به بررسی مدل هایی که برای محاسبه ضریب هدایت حرارتی فیلم های نازک در ابعاد میکرو و نانو ارائه شده است، می پردازیم. در این تحقیق روش های تحلیلی و عددی برای تولید ساختارهای درختی ارائه می شود. همچنین روش تحلیلی ارائه شده بر مبنای تئوری ساختای برای تولید ساختارهای درختی انشعابی در دیسک ها تصحیح می شود، که نتایج ارائه شده در این تحقیق حکایت از دقت بالاتر متد تحلیلی تصحیح شده در مقایسه با متد ساختاری دارد. ساختارهای درختی برای خنک کاری دیسک با تولید حرارت داخلی شامل ساختارهای شعاعی، انشعابی، حلقوی و ترکیبی می باشند. در تحقیق حاضر عملکرد این ساختارها در شرایط مختلف مقایسه می شود. با این وجود که افزایش درجه آزادی سیستم منجر به تولید ساختارهایی با مقاومت حرارتی نسبی کوچکتر می شود، در این تحقیق نشان داده می شود که متغیر انگاشتن ضخامت تیغه ها در طی فرایند تولید ساختارهای انشعابی تاثیر چندانی بر مقاومت حرارتی کمینه این ساختارها نمی گذارد. در این تحقیق ساختارهای درختی برای خنک کاری قطعات مستطیلی شکل با تولید حرارت داخلی نیز بررسی شده است. ساختارهای درختی خنک کاری قطعات مستطیلی شکل، ساختارهای المان های حجمی، ساختارهای مرتبه اول و دوم و سوم می باشند. بوضوح نشان داده می شود که استفاده از تیغه ها با ضخامت متغیر مقدار مقاومت حرارتی کمینه را بصورت قابل ملاحظه ای کاهش می دهد. تئوری ساختاری اعلام می کند که ساختارهای درختی تولید شده بر مبنای این تئوری بر خلاف ساختارهای فراکتالی ، هواره با افزایش تعداد انشعابات و مراتب ساختار منجر به عملکرد بهینه نمی شود. نتایج حاصله در این پروژه نیز در تایید تئوری ساختاری است و چنانچه در این تحقیق نشان داده شده است همواره افزایش مرتبه ساختارهای درختی منجر به بهبود عملکرد آن نمی شود. بعنوان نمونه نشان داده می شود که در حالت بالک، با افزایش مرتبه ساختارهای درختی خنک کننده قطعات مستطیلی از مرتبه اول به بالا، روندی افزایشی در کمینه مقاومت حرارتی آنها مشاهده می شود. تایید عددی نتایج تحلیلی بدست آمده برای ساختارهای درختی خنک کننده قطعات مستطیلی شکل و دیسکی شکل نشان می دهدکه انحراف آنها از نتایج عددی از چند در صد تجاوز نمی کند و این می تواند موید صحت نتایج تحلیلی حاصله باشد که در سایه برخی ساده سازی های هندسی و حرارتی حاصل می شوند.