Microchannel cooling strategies for high heat flux (1 kW/cm2) power electronic applications

结温 材料科学 微通道 计算机冷却 热阻 热流密度 光电子学 散热片 水冷 碳化硅 机械工程 电子设备冷却 功率(物理) 热的 传热 纳米技术 热力学 物理 复合材料 工程类 电子设备和系统的热管理
作者
Ki Wook Jung,Chirag R. Kharangate,Hyoungsoon Lee,James W. Palko,Feng Zhou,Mehdi Asheghi,Ercan M. Dede,Kenneth E. Goodson
标识
DOI:10.1109/itherm.2017.7992457
摘要

The wide band-gap (WBG) semiconductor electronics such as silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN) are becoming more popular in power electronics applications due to their excellent functionality at higher operating temperatures, powers, frequencies and in high radiation environments compared to Si devices. However, the continued drive for higher device and packaging densities has led to extreme heat fluxes on the order of 1 kW/cm2that requires aggressive microchannel cooling strategies in order to maintain the device junction temperature below acceptable limits. A reduced order single/two phase thermal-fluidic model is developed to investigate the effect of micro-channel geometry parameters, packaging materials and fluid flow conditions on the cooling performance of various cooling strategies. Water and R245fa refrigerant are used as singleand two-phase working fluids, respectively. We consider three cooling strategies: · Design A: copper cold-plate micro-channel module bonded to the device substrate · Design B: embedded micro-channels directly etched into the device substrate and · Design C: embedded micro-channels with a 3D manifold with inlet and outlet module. The proposed embedded micro-channels with 3D-manifold with R245fa working fluid has the potential to achieve the lowest thermal resistance ~0.07 K/W and pressure drop ~10 kPa for flow rate Q ~ 0.21 l/min (Tin= 90 °C) and exit quality x = 0.44.
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