電子束表面造型對液冷冷板散熱性能影響研究*

趙 桐，付鵬飛，唐振云，王 濤，張賀賓

（1.中國航空制造技術(shù)研究院高能束流加工技術(shù)重點實驗室，北京100024；2.中國電子科技集團公司第十四研究所，南京210013；3. 中航復合材料有限責任公司，北京101300）

隨著超大規(guī)模集成電路（VLSIC）、超高速集成電路（VHSIC）等微電子技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備的封裝密度也在不斷提高[1]，隨之帶來了電子元器件的高發(fā)熱量，若不及時散熱，將會影響元器件的服役壽命和工作穩(wěn)定性[2]。對于發(fā)熱密度超過5W/cm2電子元器件而言，一般采用強制液冷的方式散熱，其中液冷冷板是整個散熱系統(tǒng)的一個關(guān)鍵構(gòu)件。液冷冷板主要是由冷板基體和流道組成，為了提高散熱能力，可在流道內(nèi)加工一些微型結(jié)構(gòu)，增大換熱面積，強化散熱效果[3–4]。

電子束表面造型（也稱電子束毛化）是利用偏轉(zhuǎn)線圈控制電子束流的高速掃描運動，來實現(xiàn)金屬表面局部微區(qū)域的金屬“挖掘”和“轉(zhuǎn)移”，從而獲得多種形貌的表面凸起等微造型，如鋸齒形、倒刺形、蜂窩狀、旋渦和網(wǎng)紋等；這些微造型可用于各種領(lǐng)域結(jié)構(gòu)輔助連接、流場控制、界面增強等[5–6]。電子束表面造型技術(shù)在制備密集排列的微造型方面具有速度快、精度高、陣列自由控制及適于局部微加工等優(yōu)點，在液冷冷板表面制備微通道方面具有極大的應(yīng)用前景。該技術(shù)不僅可縮短加工周期，而且能夠制備不規(guī)則形狀凸起。相對于傳統(tǒng)的表面加工技術(shù)，其優(yōu)勢比較明顯：可加工任何金屬材料、可定制形貌、加工效率高等[7–8]。

英國焊接研究所（TWI）針對電子束表面造型、電子束毛化技術(shù)開展了大量的研究開發(fā)工作[9–11]。目前該技術(shù)在歐美等國家發(fā)展較快，通過同時控制電子束的束流參數(shù)（包括加速電壓、電流和聚焦），加上特殊的掃描波形，即可產(chǎn)生各種不同凸起的微造型表面。國外電子束表面造型技術(shù)和設(shè)備已存在一定的積累，并在航空及電子等領(lǐng)域已開展相關(guān)工程化應(yīng)用研究[12]，造型技術(shù)水平已有了較高的提升，微造型加工尺寸范圍有所增大，加工效率大幅度提高。

國內(nèi)關(guān)于電子束表面造型技術(shù)的應(yīng)用研究并不多，在散熱方面的研究更少[13–15]。劉增文等[16]通過對比試驗，研究了6063鋁合金毛化試樣的散熱、表面處理和耐腐蝕性能，研究表明具有較高凸起且密集排列的毛化試樣有效提高了其散熱性能，且其耐腐蝕性變化不大；初步探究了電子束毛化結(jié)構(gòu)對液冷冷板散熱性能的作用，但并未深入探討電子束毛化結(jié)構(gòu)的相關(guān)尺寸對散熱性能的影響。

不同的電子束表面造型技術(shù)參數(shù)，可在液冷冷板通道中產(chǎn)生不同高度、不同形狀、不同間距的表面造型，這些造型的差異會改變液冷冷板流道內(nèi)的換熱面積，從而改善散熱性能。本試驗采用不同的電子束掃描參數(shù)，制備不同尺寸和流向間距的表面造型，探討其對液冷冷板散熱性能的影響。

試驗及方法

根據(jù)冷板結(jié)構(gòu)特點，建立具有不同高度、不同流向間距以及不同直徑的柱狀表面造型的液冷冷板模型，通過數(shù)值模擬的方法，對不同液冷冷板的溫度場分布進行模擬，從而分析不同柱狀表面造型對冷板散熱性能的影響，驗證優(yōu)化電子束表面造型參數(shù)。采用優(yōu)化的電子束表面造型參數(shù)，設(shè)計制備出典型的間距、高度的柱狀表面造型的液冷冷板試驗件，通過散熱性能測試分析不同表面造型結(jié)構(gòu)對液冷冷板散熱性能的影響。

1 液冷冷板散熱效果仿真分析

利用Creo軟件，按某雷達配備的液冷冷板及其工況條件進行液冷冷板及發(fā)熱芯片仿真模型的建立液冷冷板及發(fā)熱芯片的仿真模型，如圖1所示，其中，發(fā)熱芯片的功率為20W，尺寸為2mm×5mm，熱流密度為200W/cm2。芯片下方墊尺寸20mm×20mm×3mm的純銅片模擬芯片載板或殼體。冷卻介質(zhì)選擇乙二醇，入口溫度27℃，流量為1L/h，出口壓力0.1MPa。根據(jù)電子束表面造型技術(shù)在上述模型中的工藝可行性，以及不同表面造型對散熱性能影響的預(yù)期，設(shè)計建立8個具有不同柱狀表面造型的液冷冷板模型（表1），進行散熱性能的仿真模擬。其中，柱狀造型直徑分為0.8mm、1mm和1.2mm 3種，柱狀造型高度分為2mm、4mm、6mm 3種，造型陣列流向間距分為4mm、6mm、8mm 3種，并以1#無造型試樣為空白對照，以2#為控制變量對照組。

2 電子束表面造型工藝優(yōu)化

電子束表面造型工藝優(yōu)化采用ZD150–15MH CV3M型真空電子束加工設(shè)備。根據(jù)仿真模擬結(jié)果，優(yōu)化加速電壓、聚焦電流、掃描束流、掃描時間等電子束表面造型參數(shù)，獲得不同高度、不同流向間距等特征的柱狀表面造型，制備不同的6063鋁合金液冷冷板試驗件。

3 液冷冷板試驗件散熱性能測試

為了測試液冷冷板試驗件的散熱性能，將一發(fā)熱電阻（尺寸為32mm×12mm）放置于冷板表面以模擬芯片的發(fā)熱情況，通過測量發(fā)熱電阻殼溫和冷卻液溫度，確定不同冷板試驗件的發(fā)熱電阻與冷卻液的溫差，根據(jù)溫差大小來評估其散熱效果。測試條件：采用T型熱電偶連接到數(shù)據(jù)采集儀進行溫度記錄，同時利用渦輪流量計測量系統(tǒng)流量，液冷源冷卻液為60號乙二醇溶液，圖2為散熱性能測試原理圖和試驗臺。將發(fā)熱熱阻安裝在冷板上表面的流道中心處（假定冷板試樣的帶端蓋面為下表面）。給予電阻恒定電流和電壓，使其發(fā)熱功率維持在85W，之后利用熱電偶記錄電阻殼溫，利用液冷機組顯示屏數(shù)據(jù)記錄冷卻液溫度。通過試驗數(shù)據(jù)記錄分析，獲得不同冷板試樣的模擬芯片與冷卻液之間溫差變化，以確定冷板散熱性能。

表1 不同液冷冷板模型尺寸參數(shù)Table 1 Size parameters of different liquid-cooling cold plate model

圖1 液冷冷板模型剖面圖Fig.1 Cross section of liquid-cooling cold plate model

結(jié)果與討論

1 數(shù)值模擬結(jié)果

表2為冷板通道內(nèi)具有不同表面造型時的散熱性能模擬結(jié)果，圖3為各試樣截面的溫度分布云圖。冷板通道內(nèi)無表面造型結(jié)構(gòu)的1#試樣芯片最高溫度87.0℃，溫升60.0℃。與1#試樣相比，2#～8#試樣通道內(nèi)帶有表面造型結(jié)構(gòu)試樣的芯片最高溫度均有所降低，說明表面造型的冷板內(nèi)冷卻介質(zhì)的換熱能力更強，帶走了更多芯片產(chǎn)生的熱量，模擬結(jié)果表明表面造型的冷板散熱效果有所提升。

比較分析2#、3#、4#試樣，模擬結(jié)果表明柱狀造型的高度變化對冷板換熱性能有較大影響，從圖3中可以看到，隨著柱狀造型高度由4mm降低至2mm，介質(zhì)流經(jīng)表面造型區(qū)域后其溫度云圖產(chǎn)生明顯變化，冷板的散熱效果由17.36%降低至5.36%，尤其是4#試樣，在出口端介質(zhì)溫度仍然較低，說明介質(zhì)未進行充分的換熱。這主要是由于柱狀造型高度越高，換熱面積越大，同時由于表面造型柱對流道內(nèi)冷卻介質(zhì)的擾動作用，強化了介質(zhì)流體與表面造型結(jié)構(gòu)之間的換熱。

通過對比圖3中2#、5#、6#試樣的溫度云圖可以發(fā)現(xiàn)，不同的柱狀造型直徑會對介質(zhì)流經(jīng)表面造型時的溫度變化有一定影響，但最終在出口端溫度差異不大，結(jié)合表2的數(shù)據(jù)也能看出，表面造型的直徑變化對冷板散熱性能影響較小。綜合分析2#、7#、8#試樣，模擬結(jié)果表明柱狀造型陣列流向間距越小，冷板散熱效果越好。

從圖3中也能看出，當流向間距為4mm時，介質(zhì)流經(jīng)表面造型后，溫度迅速由27℃升至40℃，在較短的時間和路徑上完成了熱交換。這是由于表面造型柱陣列密集排布于發(fā)熱源之下，最大程度減小了芯片散熱路徑，有利于芯片散熱。

因此綜合來看，當柱狀造型直徑1mm、高度6mm且相鄰造型的流向間距為4mm時，冷卻液與模擬發(fā)熱芯片的溫差為46.08℃，該冷板的散熱性能最佳，與空白試樣對比可提升23.23%。

2 不同柱狀造型的電子束表面造型工藝優(yōu)化及制備

根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果可知，冷卻液通道中存在的柱狀表面造型可有效提升液冷冷板散熱性能。為了制備不同直徑、高度以及流向間距的表面造型，需要在掃描波形、電子束流、掃描時間等參數(shù)上進行調(diào)整。首先，不同的流向間距主要靠調(diào)整電子束掃描波形來實現(xiàn)，而掃描波形的調(diào)整需要結(jié)合試驗件待造型區(qū)域的空間位置和各造型單元之間的比例關(guān)系來實現(xiàn)，為了使制備不同流向間距時的各造型單元具備相同的比例條件，需要不斷對掃描波形進行優(yōu)化，以獲得最佳的造型成形比例；其次，由于不同掃描波形下，電子束經(jīng)過掃描路徑時的能量和時間均產(chǎn)生了變化，相應(yīng)地，制備出來的表面造型在成形上就會存在一定差異，因此，還需要在優(yōu)化的掃描波形基礎(chǔ)上，進一步匹配優(yōu)化電子束流與掃描時間參數(shù)，以實現(xiàn)不同直徑和高度的表面造型的高質(zhì)量制備。

圖2 散熱性能測試Fig.2 Heat dissipation performance test

表2 冷板散熱性能模擬結(jié)果Table 2 Simulation results of heat dissipation performance

本研究采用精確控制電子束掃描軌跡、能量分布、掃描速度和掃描時間進行表面造型技術(shù)研究，同時結(jié)合波形（圖形）的設(shè)計優(yōu)化，獲得了能夠有效制備柱狀表面造型的電子束掃描工藝規(guī)范，典型柱狀造型如圖4所示，單個柱狀造型的截面形貌如圖5所示，其高度約為3.8mm，柱狀造型頂端直徑為1.4mm，根部直徑為2.4mm，表面成形光滑、無尖銳棱角。通過調(diào)整工藝參數(shù)和掃描圖形，得到了不同特征的柱造型陣列，工藝參數(shù)見表3，制備的液冷冷板試驗件如圖6所示。

圖3 通道內(nèi)具備不同表面造型的冷板截面溫度云Fig.3 Temperature distribution of cold plate cross section with different surfi-sculpt in channel

圖4 經(jīng)參數(shù)優(yōu)化后的典型柱狀表面造型Fig.4 Typical cylindrical surfi-sculpt after parameter optimization

圖5 典型柱狀造型截面形貌Fig.5 Section morphology of typical cylindrical surfi-sculpt

3 不同表面造型對液冷冷板散熱性能的影響

在實際測散熱性能測試過程中，為了保證測量數(shù)據(jù)的有效性，將冷板和模擬芯片一起用保溫材料包裹，使測試過程達到熱平衡狀態(tài)[17]：

其中，Q1為冷卻液換熱量；m為冷卻液質(zhì)量流量；Cp為流體比熱；ΔT為冷卻液經(jīng)過冷板前后的溫差，Q2為模擬芯片發(fā)熱量；U和I分別為模擬芯片的輸入電壓和電流。

由于采用Q1的計算方式計算換熱量時易引入較多誤差，如冷卻液的比熱會隨溫度發(fā)生變化，存在一定誤差；冷卻液經(jīng)泵體在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)時，也會由于渦輪的機械作用使流體流量發(fā)生一定幅度的波動，也容易產(chǎn)生誤差；而冷板通道尺寸較小進出口處流體溫度變化微小，測量過程中的誤差較大。因此，在系統(tǒng)達到熱平衡的狀態(tài)下可通過Q2的計算方式計算冷板的換熱量。通過換熱量除以換熱面積即可得到熱流密度q。根據(jù)牛頓冷卻公式：

其中，q表示熱流密度；h表示換熱系數(shù)；ΔTc表示模擬芯片與供液溫差。

由牛頓冷卻公式可知，在熱源的熱流密度恒定的情況下，各塊冷板的換熱系數(shù)與模擬芯片和供液間的溫差成反比。因此可以通過模擬芯片與供的液溫差計算各造型試板在相同熱流密度輸入下的換熱系數(shù)。

各試樣的換熱系數(shù)以及散熱性能提升數(shù)據(jù)見表4。

其中試樣5為無表面造型試樣，散熱效果均是與其比較。

從測試結(jié)果來看，通道內(nèi)有表面造型結(jié)構(gòu)的冷板試樣，其散熱性能均優(yōu)于空白（無造型）冷板試樣，這與數(shù)值模擬得到的結(jié)果是一致的。電子束表面造型試樣4的散熱效果最好，散熱性能提升達到了14.18%，這主要與電子束表面造型高度、間距密度相關(guān)，提高了結(jié)構(gòu)散熱面積。但試樣1～4 的散熱性能提升幅度差異較小，研究表明制備的柱狀造型的差異對液冷冷板散熱性能的提升貢獻很小，這與柱狀造型在冷卻液通道中的體積占比有一定關(guān)聯(lián)。受液冷冷板試驗件結(jié)構(gòu)尺寸和電子束表面造型技術(shù)特點所限，電子束表面造型的最大高度需≤4.5mm，因此，當柱狀造型高度在小范圍內(nèi)發(fā)生變化時，冷板試樣通道內(nèi)的換熱面積增加幅度不大，導致散熱性能提升幅度相對也較小。另外，由于冷板通道尺寸較小，為了避免電子束掃描造成的局部過熱現(xiàn)象，對柱狀造型的數(shù)量進行了一定程度的限制，這也會導致冷板試樣的換熱面積增加值處于較低的水平，因此，在試驗中調(diào)整柱狀造型的高度和流向間距時，液冷冷板的散熱性能提升并不明顯。

表3 不同柱狀表面造型的液冷冷板試驗件及相關(guān)工藝參數(shù)Table 3 Liquid-cooling cold plate test pieces with different cylindrical surfi-sculpt and related process parameters

圖6 不同柱狀造型液冷冷板試驗件Fig.6 Liquid-cooling cold plate test pieces with different cylindrical surfi-sculpt

表4 5類冷板試驗件測試結(jié)果Table 4 Test results of five types of cold plate test pieces

基于上述分析，后續(xù)將繼續(xù)探索：在小范圍內(nèi)制備更多數(shù)量的表面造型、制備高度更高的表面造型等研究。

結(jié)論

（1）通過數(shù)值模擬對液冷冷板的散熱性能進行分析，結(jié)果表明電子束表面造型可有效提高冷板的散熱性能；隨著造型高度和直徑的增加以及造型間距的減小，液冷冷板散熱性能均有所提升，其中造型高度的影響最大，造型流向間距的影響其次，造型直徑的影響最小。

（2）通過電子束表面造型工藝優(yōu)化得到了表面成形光滑、無尖銳棱角的典型柱狀造型，單個造型高度為3.8mm，造型頂端直徑為1.4mm，根部直徑為2.4mm。

（3）通過對不同表面造型的液冷冷板試驗件散熱性能測試分析，驗證了電子束表面柱狀造型可提高冷板散熱性能達13%以上，柱高4.1～4.2mm、間距4.1～4.3mm的典型表面造型的散熱性能最佳；但當柱狀造型高度＜4mm，且造型數(shù)量較少時，改變柱狀造型特征對提升冷板散熱性能的影響較小。