Experimental investigation of flow boiling in silicon microchannel devices for electronics cooling

With the fast miniaturization of Very Large Scale Integration (VLSI) systems in the electronics industry, thermal management issues are becoming a serious challenge for sustaining the Moore’s law trend in the next years. Flow boiling in silicon microchannel evaporators has recently arisen as one of the best solutions for the thermal management of high heat flux electronic devices. Microscale flow boiling exhibits high heat transfer rates and reduced temperature gradients optimizing electronics operation. Silicon fabrication techniques enable the development of compact and highly integrated systems. However, the lack of a complete understanding of the physics processes involved and serious technical issues are currently delaying the introduction of silicon microchannel devices in consumable products. Following the great interest of the electronics industry, silicon microchannel devices have started to be considered also for the design of future particle detectors for High Energy Physics (HEP) experiments. This work presents new insights on the two-phase fluid dynamics and flow boiling heat transfer characteristics in silicon microchannel devices. The effect of surface wall roughness is also addressed with a dedicated test section featuring tailored microfabricated structures at the channel walls. The study of interconnected silicon micro-evaporators for the efficient thermal management of future silicon particle detectors at the Large Hadron Collider (LHC) is described. The thermal performance of the device are presented and discussed. The qualification of the complete fabrication processes based on standard microfabrication techniques and the solution of important technical challenges are addressed, paving the introduction of silicon microchannel devices in the design of future detector systems. The results obtained in this study have many potential applications in all the industrial sectors where high heat fluxes need to be efficiently managed with very compact systems.

Con la continua miniaturizzazione dei sistemi ad altissima integrazione nell’industria elettronica, la gestione della potenza termica dissipata da tali dispositivi sta iniziando a diventare un problema di primaria importanza per cercare di mantenere l’andamento della legge di Moore negli anni a venire. Lo scambio termico tramite evaporazione in microcanali di silico è sorto negli ultimi anni come una delle soluzioni piu promettenti per il raffreddamento di componenti elettronici ad alte dissipazioni. Gli elevati livelli di scambio termico e i ridotti gradienti termici ottimizzano il funzionamento dell’elettronica. Le tecniche di fabbricazione del silicio consentono di ottenere componenti molto precisi consentendo alti livelli di integrazione. Tuttavia, la mancanza di una conoscenza approfondita dei fenomeni fisici coinvolti e serie difficoltà tecniche stanno attualmente posticipando l’ingresso di questa tecnologia in prodotti di consumo. Seguendo il grande interesse dell’industria elettronica, i microcanali in silicio stanno iniziando ad essere considerati anche per il disegno dei futuri rivelatori di particelle per esperimenti di fisica delle alte energie. Questo lavoro presenta nuovi risultati sul deflusso bifase e lo scambio termcio per evaporazione in microcanali in silicio. L’effetto della rugosità di parete è inoltre investigato tramite lo sviluppo di una apposita sezione di test dotata di strutture micrometriche alle pareti del canale. Lo sviluppo di micro-evaporatori in silico per il raffreddamento dei futuri rivelatori di particlle in silico per il Large Hadron Collider (LHC) è presentato. Viene inoltre descritta la qualifcazione del completo processo produttivo basato su tecniche di microfabbricazione del silicio e la soluzione di importanti problematiche tecniche, aprendo cosi la strada all’introduzione di sistemi di raffreddamento basati su microcanali in silicio nei futuri rivelatori di particelle.