科技的发展日新月异,人工智能、工业互联网、大数据中心等新技术层出不穷,芯片在其中起到了至关重要的作用。根据摩尔定律,集成电路上的元器件的数量每隔18到24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍,同时随着芯片晶体管集成度的快速提高,整体功耗急剧上涨,这对热管理装置的结构和散热性能提出了更高的要求,芯片散热装置的优化设计已经成为了行业的研究热点。与形状优化和参数优化相比,拓扑优化具有最高的设计自由度,在给定边界的情况下,甚至可以设计出接近最优散热性能的热沉。传统对芯片热沉的拓扑优化是基于给定设计域的前提下进行设计,而设计域的形态直接决定了优化热沉散热性能的上限。当优化的设计域未给定或半给定时,如何确定优化上限较高的设计域是需要考虑的首要问题。此外,拓扑优化的难点在于计算量太大和难以收敛,尤其是对三维空间的拓扑优化或考虑对流传热的情况下,计算耗时可能十分冗长。因此需要给拓扑优化的过程加以限定,如只考虑二维空间或者只有热传导忽略对流的情况,以降低优化的难度,提升计算的收敛性。本论文分别对二维空间中考虑对流与不考虑对流的情况和三维空间中不考虑对流的情况,进行了热沉的拓扑优化设计的研究。主要研究内容包括:首先,对二维不同类型的热沉进行拓扑优化。对考虑对流和不考虑对流的二维热沉进行拓扑优化设计,并研究网格和惩罚因子对优化结果的影响,发现在当最大网格单元达到3 mm时,优化结果具有网格无关性,当惩罚因子为3时,优化结果分叉性最好,中间值区域较少。与考虑对流的优化热沉相比,不考虑对流的优化热沉分叉更多更密集,与空气的分界面更加清晰,中间值较少,且计算时间仅是考虑对流所用时间的三分之一,收敛性更好。此外还对液冷散热流道进行拓扑优化,设计了两个目标函数,最低压降可以保证流道的流通性,最高出口温度可以保证流道散热效果最好,并根据温度云图和流线图对散热机理进行深入探讨。其次,对三维的热沉进行拓扑优化设计研究。针对如何确定优化上限较高的设计域问题,我们对圆柱形、正锥形和倒锥形三种设计域和不同高度的设计域分别进行拓扑优化设计,并通过仿真结果和温度梯度云图,对传热机理进行了深入研究。发现当设计域呈现下宽上窄的形态时,优化热沉的散热效果更好,而设计域的高度则主要影响了散热分叉的形态。设计域越高,散热分叉越细长,数量越少。通过SLM 3D打印技术制作出圆柱形、正锥形和倒锥形三种优化热沉,并分别以3 W和5 W的LED芯片作为热源设计实验,发现与传统的翅片热沉相比,拓扑优化的热沉性能要优越的多,其中正锥形优化热沉效果最好,圆柱形其次,倒锥形热沉效果最差。这表明了最优的设计域应是一种接近半球的形态,可以最大限度的从芯片中提取热量,并使主干传热通道的导热与散热分叉的散热达到一个平衡,本工作对热沉的拓扑优化的工业应用提供了启示。