针对微电子器件中高效热管理的形状优化针鳍式散热器设计：一种基于仿真的方法，支持可持续发展目标（SDG）驱动的创新

《Results in Engineering》：Shape Optimized Pin-Fin Heat Sink Design for Efficient Thermal Management in Microelectronics: A Simulation-Based Approach Supporting SDG-Driven Innovation

微型电子散热器中方形pin-fin的热性能最优，通过COMSOL Multiphysics仿真对比方形、圆形、锥形及倒锥形pin-fin，发现方形设计热阻最低（0.01-0.03 K/W）、效率最高（96%），Nusselt数提升16%，且温度梯度更平缓，显著优于其他形状。

　　
微电子设备散热优化中不同形状针状鳍片热性能对比研究

摘要：
该研究针对电子设备散热系统中的关键部件——针状鳍片热沉展开系统性优化分析。通过COMSOL Multiphysics多物理场仿真平台，构建了包含正方形、圆形、圆锥形及倒圆锥形四种典型几何特征的3D热沉模型，重点考察了均匀高度条件下不同形状针状鳍片的热阻、传热效率、努塞尔数等关键性能指标。研究发现正方形鳍片在热阻（0.01-0.03 K/W）、传热效率（95.2%）、努塞尔数（16.87）等核心参数上均优于其他三种几何形态，其中传热效率较圆形鳍片提升16%，热阻降低达28.7%。该成果为电子热管理系统的结构优化提供了重要理论依据，特别在需要高密度散热场景中具有重要应用价值。

1. 研究背景与现状
现代电子设备的小型化趋势导致功率密度持续攀升，传统散热技术已难以满足高功率密度器件的散热需求。根据国际半导体技术路线图预测，到2030年芯片功率密度将突破200 W/cm2，这对散热系统提出更高要求。当前主流散热方案多采用圆柱形或矩形鳍片，虽然这些基础形状已广泛应用，但关于其他规则几何形状（如正方形、圆锥形）的热性能对比研究相对匮乏。

现有研究表明：① 矩形/圆柱形鳍片在常规工况下表现稳定，但存在热边界层发展不充分、传热效率瓶颈等问题；② 某些异形鳍片（如螺旋形、生物仿生结构）在特定条件下可提升20-30%的散热效率，但存在加工复杂、成本高等局限；③ 鳍片间距与高度比直接影响热流分布，但多数研究未系统考察几何形状对热阻的耦合作用。

本研究的创新点在于：首次建立统一高度（5mm）、相同排列密度（6×6网格）的四类规则几何形状鳍片热模型，采用COMSOL Multiphysics平台进行多物理场耦合仿真，涵盖流体动力学（Navier-Stokes方程）、传热学（傅里叶定律）等核心理论。特别设计了封闭式实验腔体，通过调节对流换热系数（8-24 W/m2K）和空气温度（292-306 K）模拟自然对流与强制对流工况，确保研究结论的普适性。

2. 研究方法与技术路线
2.1 模型构建与参数设置
采用航空铝材（热导率205 W/m·K）为基板材料，设计55×55×5mm3标准热沉单元。在COMSOL中建立三维几何模型，特别优化了网格划分策略：通过网格独立性验证（表1），确定正常网格（120万单元）能平衡计算精度与效率，网格密度达到每秒200万次迭代计算，确保数值解的收敛性。

2.2 仿真条件与验证
设置10-30W热流密度（覆盖处理器典型工况），通过对比实验数据（误差<2%）验证模型可靠性。重点验证了基板温度分布与实际测量值的吻合度（图7），以及努塞尔数计算与Nusselt数关联式（Nu=0.66hD/hk）的匹配性。

3. 关键研究发现
3.1 温度场分布特性
正方形鳍片在10W热流下基板温度降至393 K（图8a），较其他形状低14-18℃。温度梯度分布显示：正方形鳍片在横向（X/Y方向）形成更均匀的温度场，最大温差梯度仅2.3 K/mm，而圆锥形鳍片末端温差达5.8 K/mm。这种特性减少了电子元件的热应力损伤风险。

3.2 传热性能对比
| 性能指标 | 正方形 | 圆形 | 圆锥形 | 倒圆锥形 |
|----------|--------|------|--------|----------|
| 热阻(K/W) | 0.012 | 0.023 | 0.017 | 0.019 |
| 传热效率(%) | 95.2 | 68.4 | 75.1 | 82.3 |
| 努塞尔数 | 16.87 | 14.2 | 12.9 | 13.5 |

注：数据基于h=24 W/m2K条件，热阻值包含基板与鳍片连接部的影响。

3.3 几何形态影响机理
- 正方形鳍片（边长5mm）通过锐角边缘激发湍流涡旋，在边界层分离处形成局部湍流核心区（图4）。这种结构特性使对流换热系数提升至24 W/m2K，较圆形提高18.5%。
- 圆形鳍片因流线型结构导致边界层发展较平缓，虽然加工简单但热阻值最高（0.023 K/W）。仿真显示其最大努塞尔数出现在h=16 W/m2K时（Nu=14.2）。
- 圆锥形与倒圆锥形鳍片因截面积变化导致热流分布不均。前者因底部截面积较大（10mm2）而顶部缩小（2.5mm2），形成梯度热阻；后者虽扩大顶部面积（12.5mm2），但倒置结构使气流贴壁流动，热交换效率低于正方形。

3.4 工程应用考量
- 制造工艺：正方形鳍片需特殊模具加工（精度±0.1mm），但可批量生产；圆锥形需精密数控加工，成本增加40-60%
- 可靠性：正方形鳍片边缘应力集中系数（σ_max=85 MPa）较圆形（σ_max=62 MPa）高，但通过优化基板连接结构可降低至78 MPa
- 系统集成：正方形鳍片阵列可减少30%的气流通道堵塞率，适用于高密度散热场景（如GPU芯片）

4. 技术经济性分析
- 热阻降低0.011 K/W对应每千小时运行时间减少1.2%的芯片失效概率
- 采用正方形鳍片可使服务器机柜年能耗降低8.7%，相当于减少230吨CO?排放
- 模块化设计使热沉更换成本降低至传统方案的65%

5. 与可持续发展目标（SDGs）的关联
- 支持SDG7：通过热阻降低28.7%减少主动冷却系统功耗
- 促进SDG9：开发新型热沉设计技术，推动电子工业能效标准升级
- 贡献SDG12：优化热沉结构使电子设备寿命延长2-3倍，预计减少电子垃圾年产量4.2万吨

6. 工程应用建议
- 在功率密度>150 W/cm2场景优先选用正方形鳍片
- 圆形鳍片适合常规散热需求（<100 W/cm2）
- 圆锥形适用于空间受限场景（如移动设备散热片）
- 建议建立几何形状-热阻-成本的综合评价矩阵（图13）

该研究为电子热沉设计提供了新的理论框架，通过系统对比不同几何形态的热力学特性，揭示了形状参数与传热性能的定量关系。研究成果已应用于某芯片制造商的新型服务器散热系统，实测热阻值从0.025 K/W降至0.018 K/W，验证了理论模型的工程适用性。未来研究可结合拓扑优化算法，在保持传统制造工艺基础上开发复合型鳍片结构，进一步突破热管理性能极限。