基于TSP测量的PDMS微通道内倾斜平板强化传热特性研究

《Journal of Mechanics》：TSP measurements for heat transfer characterization in rectangular PDMS microchannels with inclined flat plates

本研究针对3D集成封装中侧向热管理的技术难题，通过温度敏感涂料（TSP）实验研究了矩形PDMS微通道内倾斜平板（10°、20°、30°）在雷诺数10-30范围内的传热增强特性。结果表明30°倾斜角可使局部努塞尔数峰值提升90%，而20°结构在Re=20时综合热性能因子η达1.177最优。该工作为高功率微电子冷却系统设计提供了关键实验依据。

　　

随着现代电子设备向着更高性能和更小尺寸的飞速发展，高效散热技术已成为制约技术突破的瓶颈。在3D集成封装架构中，热源可能来自相邻芯片或中介层，热量通过侧壁传入冷却通道，形成复杂的共轭传热场景。传统微通道研究多采用底部加热模式，难以真实反映实际封装中的侧向热传递特性。更棘手的是，微通道由于水力直径微小，流动通常处于层流状态，轴向导热和共轭传热效应显著，使得热行为预测变得异常复杂。

针对这一挑战，台湾国立清华大学动力机械工程系的研究团队在《Journal of Mechanics》上发表了创新性研究成果。他们采用温度敏感涂料（Temperature Sensitive Paint, TSP）这一先进光学测量技术，首次对侧壁加热的矩形PDMS（聚二甲基硅氧烷）微通道内倾斜平板的传热特性进行了系统实验研究。该工作通过精确控制倾斜角度（10°、20°、30°）和雷诺数（10、20、30），揭示了结构参数对热边界层扰动和再发展的影响规律，为微电子冷却系统设计提供了重要理论依据。

关键技术方法包括：采用软光刻技术制备500μm宽×100μm高的PDMS微通道；使用共晶镓铟（EGaIn）液金属作为侧壁加热器；基于Ru(bpy)（三(2,2'-联吡啶)钌(II)氯化物六水合物）的TSP系统进行温度场测量（灵敏度-1.88%/°C）；通过压差测量评估水力性能；定义无量纲热性能因子η=(Nu/Nu₀)/(ΔP/ΔP₀)^1/3进行综合性能评价。

3.1 倾斜平板微通道的温度测量

温度场可视化结果显示，倾斜平板能有效引导冷流体冲击加热壁面，显著破坏热边界层发展。当雷诺数从10增至30时，冷流体导向效应随流速提升而增强，传热强化效果更为显著。

努塞尔数分布特性

局部努塞尔数分析表明，峰值出现位置对应平板与加热壁面最小间隙处（边界层扰动最强烈区域）。30°倾斜角在Re=30时获得最大局部Nu值，较无结构通道提升约90%。20°结构在Re=20时展现最佳综合性能，平均Nu提升达20.6%。

3.2 压降测量与整体传热性能分析

水力性能评估显示，倾斜角从20°增至30°时，压降增幅从7-8%跃升至23-25%。通过热性能因子η分析发现，虽然30°结构局部传热最强，但20°结构在Re=20时η值达1.177，为最优设计参数。

本研究通过TSP技术成功量化了侧壁加热微通道内倾斜平板的传热增强机制。主要结论表明：倾斜角度增大可提升局部传热峰值，但20°倾斜角在雷诺数20时展现出最佳综合性能（η=1.177）。所有实验工况的热性能因子均大于1，证实倾斜平板结构能产生净正效益。该研究成果为3D集成电路封装中的热管理设计提供了实验依据，特别是为侧向热流主导的散热场景优化提供了重要参数指导。