Abstract

The rapid development of electronics is leading to the creation and use of small electronic components, including nanoelements of a complex layered structure. The search for effective methods for cooling electronic systems dictates the need for the development of methods for the numerical analysis of heat transfer in nanostructures. A characteristic feature of the energy transfer in such systems is the dominant role of contact thermal resistance at interlayer interfaces. Since the contact resistance depends on a number of factors associated with the manufacturing technology of heterostructures, it is of great importance to determine the corresponding coefficients from the results of temperature measurements. The purpose of this paper is to evaluate the possibility of reconstructing the thermal resistance coefficients at the interfaces between layers by solving the inverse problem of heat transfer. The complex of algorithms includes two major blocks: a block for solving the direct heat transfer problem in a layered nanostructure and an optimization block for solving the inverse problem. The direct problem is formulated in an algebraic (finite difference) form under the assumption of a constant temperature within each layer due to their small thickness. The inverse problem is solved in the extreme formulation and optimized using zero-order methods that do not require calculating the derivatives of the optimized function. As a basic optimization algorithm, the Nelder–Mead method is used in combination with random restarts to search for the global minimum. The results of identifying the contact thermal resistance coefficients obtained in the context of a quasi-real experiment are presented. The accuracy of the solution of the identification problem is estimated as a function of the number of layers in the heterostructure and the measurement error. The results are planned to be used in the new technique of multiscale modeling of thermal regimes of the electronic component base of the microwave range, when identifying the thermal conductivity coefficients of the heterostructure.

Highlights

  • The rapid development of electronics leads to the creation and use of electronic components of small dimensions, including nanoelements of complex, layered structure

  • The search for effective methods for cooling electronic systems dictates the need for the development of methods for the numerical analysis of heat transfer in nanostructures

  • A characteristic feature of energy transfer in such systems is the dominant role of contact thermal resistance at interlayer interfaces

Read more

Summary

Обратная коэффициентная задача теплопереноса в слоистых наноструктурах

Федерального исследовательского центра «Информатика и управление» РАН, ул. Вавилова, д. 40, Москва, 119333, Россия. Поиск эффективных методов охлаждения электронных систем диктует необходимость развития методов численного анализа тепловыделения и теплопереноса в наноструктурах. Характерной особенностью теплопереноса в слоистых наноструктурах является доминирующая роль контактного термического сопротивления на межслоевых интерфейсах (тепловой проводимости интерфейсов). При этом контактное сопротивление зависит от целого ряда факторов, связанных с технологией изготовления гетероструктур, что обуславливает необходимость определения соответствующих коэффициентов по результатам температурных измерений. Рассмотрена возможность восстановления коэффициентов термического сопротивления на границах соприкосновения слоев, изготовленных из разных материалов, с помощью решения обратной задачи теплопереноса. Характерной особенностью переноса энергии в таких системах является доминирующая роль контактного термического сопротивления на межслоевых интерфейсах, представляющая обратную величину к тепловой проводимости Капицы [14,15,16]. Ниже рассмотрены обратные задачи теплопереноса в гетероструктурах с целью идентификации коэффициентов термического сопротивления (тепловой проводимости) интерфейсов

Постановка задачи
Результаты расчетов и их обсуждение
Номер слоя
Библиографический список
Full Text
Published version (Free)

Talk to us

Join us for a 30 min session where you can share your feedback and ask us any queries you have

Schedule a call