微槽道及其在電子器件散熱中的應(yīng)用*

翁建華，劉騰輝，崔曉鈺

(1.上海電力學(xué)院 能源與機械工程學(xué)院，上海 200090；2.上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093)

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微槽道及其在電子器件散熱中的應(yīng)用*

翁建華1，劉騰輝1，崔曉鈺2

(1.上海電力學(xué)院 能源與機械工程學(xué)院，上海 200090；2.上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093)

摘要：介紹了微槽道內(nèi)流體流動及換熱的特點，以及微槽道熱沉的結(jié)構(gòu)型式、加工工藝和流體工質(zhì)。流體在微槽道內(nèi)流動與換熱，具有尺度小、雷諾數(shù)低、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高和壓降大等特點。微槽道可在熱導(dǎo)率高的金屬材料或半導(dǎo)體材料上成型。同時，還介紹了目前計算機微處理器、大功率電力電子器件和大功率LED常用的散熱方案，并探討了微槽道熱沉應(yīng)用于這些電子器件散熱所具有的優(yōu)點。與目前常用的散熱方案相比，微槽道熱沉可有效減小散熱部件所需的散熱空間，滿足電子產(chǎn)品持續(xù)小型化的要求。在熱流密度不斷提高，常用散熱方案無法滿足要求的情況下，微槽道還為電子器件的散熱提供了一種可供選擇的解決方案。

關(guān)鍵詞：電子器件；微槽道；散熱；熱沉

伴隨著電子器件功能和運算速度的不斷提高，以及電子產(chǎn)品的持續(xù)小型化，電子器件運行時產(chǎn)生的熱流密度也不斷提高。一些軍事用途的電子器件，其熱流密度已達(dá)1 000 W/cm2，甚至更高[1]。這些熱量如不及時散失，將影響器件的正常工作，甚至導(dǎo)致器件失效。采用肋片、微型風(fēng)扇等的空氣冷卻方式，只能滿足低熱流密度電子器件的散熱要求。對高熱流密度電子器件的散熱，則需要采用新的散熱技術(shù)，而微槽道(Microchannel)熱沉是解決高熱流密度電子器件散熱問題的有效方案之一。

1微槽道技術(shù)

微槽道在文獻中有不同的定義方法，其中比較簡單的是按槽道的最小尺寸來定義。粗略來講，微槽道是指槽道寬度為1～1 000 μm的流體通道[2]。流體在微槽道內(nèi)流動，可獲得與固體壁面間的很高的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。用微槽道制成的換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，換熱效率高，可應(yīng)用于航空航天、汽車空調(diào)、醫(yī)療器械和化學(xué)生物工程等領(lǐng)域。與常規(guī)尺度的管道或槽道相比，微槽道具有尺寸小的特點。對應(yīng)用于電子器件散熱的微槽道熱沉，槽道寬度一般為十幾至幾百微米。微槽道熱沉基板材料可以是導(dǎo)熱性能好的金屬材料，比如銅；也可以是半導(dǎo)體材料，比如硅；還可以是其他新型材料，比如低溫共燒陶瓷材料(LTCC)[3]。硅材料的熱導(dǎo)率隨溫度有較大的變化，27 ℃時熱導(dǎo)率為153.5 W/(m·K)，100 ℃時降為113.7 W/(m·K)[4]。在微槽道熱沉內(nèi)流動的流體可以不發(fā)生相變，即單相流體的流動，也可以液體被汽化，成為兩相流體的流動。自20世紀(jì)80年代初，Tuckerman和Pease將微槽道熱沉用于高熱流密度電子器件散熱實驗以來[5]，研究人員在微槽道內(nèi)流體的流動與換熱、微槽道結(jié)構(gòu)設(shè)計、流體工質(zhì)以及微槽道應(yīng)用等方面進行了深入的研究。

1.1微槽道內(nèi)流體的流動與換熱

在基礎(chǔ)理論方面，首要的問題是流體在微槽道內(nèi)流動的壓降和傳輸特性是否與常規(guī)槽道不同。對此，研究人員進行了大量的試驗驗證和數(shù)值分析。由于試驗條件、測量方法等的不同，研究結(jié)果相互之間并不一致，有時甚至相互矛盾。對用于電子器件散熱的十幾至幾百微米的微槽道，一些研究表明，試驗結(jié)果與數(shù)值求解Navier-Stokes方程得到的數(shù)值解是一致的，即Navier-Stokes方程仍適用于微槽道內(nèi)流體流動的預(yù)測[6-7]。流體在微槽道內(nèi)流動與換熱的特點是：1)尺度小，流動雷諾數(shù)低；2)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高，充分發(fā)展槽道內(nèi)層流流動，其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與槽道的水力直徑成反比，即槽道水力直徑越小，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越高；3)流動壓降大，流速低。對用于電子器件散熱的微槽道熱沉，采用層流流動，可減小驅(qū)動流體流動微型泵的功率。當(dāng)微槽道熱沉在流動方向的距離不大時，還應(yīng)考慮入口段對流體流動與換熱的影響。

1.2微槽道結(jié)構(gòu)型式

一種簡單的微槽道熱沉結(jié)構(gòu)型式如圖1所示，由加工于基板上的若干微槽道及蓋板組成，槽道內(nèi)通有流體。微槽道橫截面可以是矩形、三角形和梯形等形狀(見圖2)[8]。為進一步強化傳熱，微通道還可采用其他結(jié)構(gòu)型式，如文獻[9]對由微柱群形成的微通道內(nèi)的流體流動與換熱進行了研究。另外，集腔(Manifold)的設(shè)計對微槽道熱沉內(nèi)流體的流動與換熱也有影響。各槽道內(nèi)流體的流量應(yīng)盡可能相同或相近，以便在同等情況下實現(xiàn)散熱量的最大化。一種變截面微槽道集腔設(shè)計概念如圖3所示，集腔流道考慮采用變截面，以使各槽道內(nèi)的流體分配均勻[10]。

圖1　微槽道熱沉結(jié)構(gòu)型式

圖2　微槽道截面形狀

圖3　一種變截面微槽道集腔設(shè)計概念

1.3微槽道制作工藝

制作微槽道熱沉需要在基板上加工出小于幾百微米的槽道。對半導(dǎo)體材料，可采用光刻(Photolithography)及反應(yīng)離子蝕刻RIE(Reactive Ion Etching)工藝來加工槽道[11]；而對金屬材料，則可先通過銑削、電火花線切割和電解蝕刻等在基板上加工出槽道，再經(jīng)一定的焊接工藝制成[12]。

1.4流體工質(zhì)

微槽道熱沉可選用的流體工質(zhì)包括水、制冷劑和納米流體等。制冷劑可以是R134a、FC72和FC77等。納米流體由于在液體中以一定方式和比例添加納米尺度的金屬或金屬氧化物粒子，提高了流體的熱導(dǎo)率，起到了強化傳熱的作用。目前，微槽道熱沉研究所用納米流體的基液(Base Liquids)有水、乙二醇和油等，所添加的金屬或金屬氧化物有銅、氧化銅和氧化鋁等[13]。

2微槽道在電子器件散熱中的應(yīng)用

微槽道在電子器件散熱中的應(yīng)用，主要是通過流體將電子器件運行時產(chǎn)生的熱量帶走，起到熱沉的作用，然后通過其他部件(如散熱器等)再將熱量散失到環(huán)境中。微槽道熱沉可應(yīng)用于服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心、電力電子、大功率LED裝置和激光二極管陣列等系統(tǒng)中電子器件的散熱。

2.1微處理器

計算機中的微處理器(Microprocessor)在運行過程中會產(chǎn)生熱量，這些熱量需要散失到周圍環(huán)境中，以保證器件在要求的溫度范圍內(nèi)工作。目前，筆記本電腦CPU的散熱主要采用空氣冷卻，即通過熱管、微型風(fēng)扇和散熱器等進行散熱[14](見圖4)，而液體冷卻則在大型及超級計算機中早有應(yīng)用[15]。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，散熱量不斷增加，微處理器運行時的熱流密度越來越高，而微槽道液體冷卻是解決其散熱問題的一種有效方案。

圖4　筆記本電腦散熱模組

2.2大功率電力電子器件

大功率電力電子器件(如絕緣柵雙極晶體管(IGBT))工作時也產(chǎn)生熱量，需要一定的散熱措施。目前的散熱方式有風(fēng)冷和液冷。液冷系統(tǒng)由泵、冷卻液和換熱器等組成[16]。試驗表明，將微槽道應(yīng)用于大功率電力電子器件散熱的液冷系統(tǒng)，可有效提高系統(tǒng)的散熱能力[17-18]。

2.3大功率LED

大功率LED在照明及其他領(lǐng)域有著廣泛的用途，可用于室內(nèi)和城市照明、汽車的前大燈，還可用作印刷設(shè)備中的紫外固化光源等。但LED的光電轉(zhuǎn)換效率僅有10%～30%，剩余70%～90%的電能轉(zhuǎn)換成了熱能，因此，大功率LED在發(fā)光時需要解決其散熱問題，特別是外部散熱裝置。結(jié)構(gòu)合理的外部散熱裝置可有效降低PN結(jié)溫度[19]。某型號LED路燈實物圖如圖5所示，采用空氣自然對流散熱方式。印刷設(shè)備中UV-LED光源的一種散熱設(shè)計方案[20]如圖6所示。該方案也采用空氣冷卻，采用熱管、散熱器等部件進行散熱。采用空氣冷卻散熱方案，2種LED裝置都會占用不小的空間。微槽道技術(shù)為減小大功率LED裝置的尺寸，使裝置結(jié)構(gòu)變得緊湊提供了可能性，也為更高熱流密度大功率LED散熱設(shè)計提供了解決方案。

圖5　LED路燈

圖6　UV-LED光源散熱設(shè)計方案

3結(jié)語

隨著電子器件熱流密度的不斷提高，對新型散熱技術(shù)的需求十分迫切。近年來，對微槽道內(nèi)流體的流動與換熱的深入研究，為微槽道熱沉的設(shè)計和批量生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。與此同時，對驅(qū)動流體在微槽道內(nèi)流動的微型泵的研究也在不斷深入，加之微槽道熱沉的制作工藝逐漸成熟，制作成本逐漸下降，這為微槽道熱沉在電子產(chǎn)品及系統(tǒng)中的應(yīng)用創(chuàng)造了有利的條件。可以預(yù)見，微槽道熱沉及其系統(tǒng)在電子器件散熱方面的應(yīng)用將會越來越廣泛。

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* 上海市自然科學(xué)基金資助項目(14ZR1429100)

責(zé)任編輯鄭練

Microchannel and its Application in Heat Dissipation of Electronic Devices

WENG Jianhua1, LIU Tenghui1, CUI Xiaoyu2

(1.School of Energy & Mechanical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China;2.School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Abstract：Characteristics of fluid flow and heat transfer in microchannels, such as micro-scale, low Reynolds number, and high convective heat transfer coefficient, high pressure losses etc, are all introduced. Microchannels can be fabricated on metals with high thermal conductivity, or semiconductor materials such as silicon. Types of microchannel heat sink structure, fabrication processes and fluids used in microchannel are also discussed. Meanwhile, heat dissipation solutions adopted for electronic devices such as microprocessors, large power electric and electronic devices, large power LEDs currently used are presented, and advantage using microchannel is discussed. Comparing with heat dissipation methods currently used, microchannel heat sink can reduce the needed space for dissipating the heat, and meet the continuous miniaturization requirements for electronic products. Moreover, with increasingly high heat flux, current methods for heat dissipation may not be able to meet the requirements. In this case, microchannel might be a possible solution for the heat dissipation.

Key words:electronic devices, microchannel, heat dissipation, heat sink

收稿日期：2015-09-18

作者簡介：翁建華(1968-)，男，副教授，博士，主要從事電子器件散熱、傳熱與流體流動等方面的研究。

中圖分類號：TK 124；TN 305

文獻標(biāo)志碼:A