بررسی تجربی و عددی تکنولوژی خنک کاری نقاط داغ با استفاده از قطرات مایع در ابعاد میکرولیتر

در این پایان نامه، به توسعه ی روش جدیدی برای خنک کاری مدارهای مجتمع در صنایع الکترونیکی پرداخته شده است. با توجه به پیشرفت روزافزون صنعت تولید ریزپردازنده برای کامپیوترها که با افزایش گرمای خروجی و کاهش اندازه ی آنها همراه بوده، مسئله ی به وجود آمدن نقاط داغ در اثر تمرکز گرما در نواحی کوچک، به موضوعی مهم تبدیل شده است. به همین دلیل، نیاز به روش های جدید خنک کاری احساس می شود تا بتوان از اثرات منفی نقاط داغ بر عملکرد و کارایی ریزپردازنده ها جلوگیری نمود. در این پژوهش تلاش شده است تا با استفاده از قطرات مایع در ابعاد میکرولیتر به همراه پدیده ی الکترووِتینگ، بتوان به این هدف دست پیدا کرد. برای امکان سنجی استفاده از قطرات برای خنک کاری نقاط داغ، آزمایش های متعددی انجام شد. ابتدا با استفاده از بردهای مدار چاپی، آزمایشی طراحی شد تا اثرات اعمال ولتاژ بر روی پارامترهای هندسی قطره در پدیده ی الکترووتینگ مورد بررسی قرار گیرد. در این فرآیند، یک دوربین ccd برای عکس برداری از حالت های مختلف قطره به کار برده شد و برای استخراج داده های مورد نیاز از عکس ها، از روش پردازش تصویر استفاده شد. نتایج نشان دادند که اعمال ولتاژ به قطره باعث کاهش زاویه ی تماس و ارتفاع قطره و همچنین افزایش شعاع تماس آن با سطح می شود. در گام بعدی، آزمایشی در قالب یک سیستم خنک کاری طراحی شد تا با استفاده از آن بتوان اثر قطره را بر خنک کاری یک نقطه ی داغ مورد مطالعه قرار داد. برای اندازه گیری دما در نقاط مختلف سیستم، از ترموکوپل نوع k استفاده شد و برای اندازه گیری دمای نقطه ی داغ یک حس گر گرمایی مقاومتی طراحی و کالیبره شد. نتایج آزمایش ها نشان دادند که وجود یک قطره میان نقطه ی داغ و یک چاه حرارتی می تواند در کاهش دمای نقطه ی داغ اثر زیادی داشته باشد. همچنین مشخص شد که با افزایش توان گرمایی خروجی از نقطه ی داغ، اثرگذاری قطره نیز در خنک کاری آن بیشتر می شود. برای توسعه ی بیشتر طرح خنک کاری در این پژوهش، از روش های عددی نیز استفاده شد. برای ردیابی سطح آزاد و تغییر شکل قطره تحت اثر پدیده ی الکترووِتینگ، معادلات ناویه-استوکس به همراه روش نسبت حجمی سیال در یک دستگاه مختصات استوانه ای حل شدند. همچنین، برای شبیه سازی انتقال حرارت و خنک کاری نقاط داغ، معادله ی انرژی به روش آنتالپی حل شد. نتایج نشان دادند که اثر خنک کاری قطره بر نواحی که با آنها در تماس است به مراتب بیشتر از نواحی دیگر است. بررسی های دیگر نشان دادند که اتصال و جداشدن قطره از سطح نقطه ی داغ می تواند باعث تغییر ضریب رسانش گرمایی میان نقطه ی داغ و چاه حرارتی شود. در نهایت با استفاده از همین خاصیت، یک لایه ی واسطه با ضریب رسانش گرمایی متغیر طراحی شد تا با قرار گرفتن میان یک سطح با شار حرارتی غیر یکنواخت و چاه حرارتی بتواند نقاط داغ را از بین ببرد.