集成T 形分液器的微通道散熱器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)*

趙文忠，殷黎明，周金柱，李 唐

（1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西 西安710068；2. 西安電子科技大學(xué)電子裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710071）

引 言

隨著集成電路技術(shù)和電子封裝技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子元器件呈現(xiàn)微型化和高熱流密度化發(fā)展趨勢(shì)，因此電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)越來(lái)越重要。傳統(tǒng)冷卻方式（自然風(fēng)冷、強(qiáng)迫風(fēng)冷及強(qiáng)迫液冷）最大的散熱能力很難突破100 W/cm2，難以滿足熱流密度高達(dá)幾百瓦每平方厘米的有源相控陣天線T/R 芯片的散熱要求，所以目前有源相控陣天線的熱控制問(wèn)題成為制約其發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸之一。

在眾多解決方案中，微通道散熱器被認(rèn)為是較為理想的選擇。20 世紀(jì)80 年代初期，文獻(xiàn)[1]首先提出了微通道散熱器概念，指出用50 μm 寬、300 μm深的矩形肋片陣列微通道，在1 cm2芯片上能散去790 W 的熱量，且使芯片表面溫度低于71?C。對(duì)該簡(jiǎn)單矩形肋片微散熱器的大量研究結(jié)果表明，微通道散熱器具有熱阻低、效率高、可與芯片集成加工等諸多優(yōu)良特性[2-4]，但通道內(nèi)流體流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生較大壓降，沿著流動(dòng)方向存在溫升，流動(dòng)區(qū)域和非流區(qū)域溫差較大，很難滿足某些電子設(shè)備（如有源相控陣天線T/R 芯片陣列）溫度均勻化的要求。針對(duì)傳統(tǒng)矩形肋片陣列微通道的缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了一些改進(jìn)方案，如盤形分支微通道散熱器[5]、直角樹形微通道網(wǎng)絡(luò)散熱器[6]、Y 形微通道散熱器[7]等。文獻(xiàn)[8]同時(shí)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算兩種方法研究矩形單管微通道的流動(dòng)和傳熱特性，得到的結(jié)果具有高度一致性，偏差不到5%，極大地推動(dòng)了微通道散熱器的研究。

針對(duì)相控陣天線降溫和均溫的散熱要求，本文提出了一種具有倒T 形冷卻液分配器的新型微通道散熱器。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的微通道散熱器進(jìn)行的對(duì)比分析表明，該新型結(jié)構(gòu)微通道散熱器具有很好的溫度均勻性。

1 新型微通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)許多電子設(shè)備溫度均勻化的散熱要求，本文從減小溫差和通道壓降的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)出如圖1所示的新型微通道散熱器。由圖1(a)可以看出，該微通道散熱器結(jié)構(gòu)由基板和蓋板組成。蓋板包含2個(gè)冷卻液匯流器、1 個(gè)冷卻液分配器、2 塊矩形板、2 個(gè)冷卻液出口和1 個(gè)冷卻液入口。整個(gè)微通道散熱器相對(duì)于中間平面對(duì)稱。在圖1(b)所示的基板上有8 組通道，通道之間存在一定的間距。每組通道由20 個(gè)微通道組成，在每組通道的兩邊各有1 個(gè)冷卻液出口。圖1(c)為冷卻液分配器。冷卻液由入口流入，先由1 個(gè)倒T 形分液結(jié)構(gòu)平均分為2 份，再由2 個(gè)倒T 形分液結(jié)構(gòu)平均分為4 份，最后由4 個(gè)倒T 形分液結(jié)構(gòu)平均分為8 份，使得每組通道的內(nèi)部流量相同，保證每組通道的散熱能力一致。被均勻分為8 份的冷卻液從8 組通道中間位置進(jìn)入散熱器基板微通道向兩邊的出口位置流動(dòng)，后流經(jīng)冷卻液匯流器，從出口流出。冷卻液匯流器的結(jié)構(gòu)與冷卻液分配器的結(jié)構(gòu)完全一樣，不同之處在于它們內(nèi)部通道冷卻液的流動(dòng)方向完全相反。根據(jù)散熱器的工作換熱面積不小于熱源器件換熱面積的原則，散熱器的整體尺寸可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用任意調(diào)整。作為演示驗(yàn)證設(shè)計(jì)思想的樣品，該驗(yàn)證模型的整機(jī)尺寸為107.4 mm×80.0 mm×18.0 mm。8 組通道中每組通道之間的距離為12.8 mm，每組通道中的20 個(gè)矩形微通道尺寸為0.2 mm×1.5 mm×60.0 mm，每個(gè)微通道之間的距離為0.2 mm。

上述微通道散熱器的基板和蓋板采用硅材料或鋁合金材料。采用硅基材料時(shí)，可以采用光刻或刻蝕技術(shù)在基材上加工微通道基板和蓋板，然后通過(guò)鍵合工藝把基板和蓋板鍵合成一體；采用鋁合金材料時(shí)，可以采用微細(xì)銑削技術(shù)或微細(xì)電火花技術(shù)在鋁合金基材上加工微通道基板和蓋板，然后通過(guò)釬焊工藝或擴(kuò)散焊工藝將它們焊接成一體。

圖1 微通道散熱器結(jié)構(gòu)示意圖

2 仿真模型

在三維建模軟件Pro/E 中建立如圖1 所示的微通道散熱器CAD 模型，輸出為step 格式文件并導(dǎo)入ANSYS Workbench 中的Design Modeler 模塊轉(zhuǎn)化為Icepak 熱分析軟件所需的CAE 模型。以整個(gè)微通道散熱器內(nèi)部的工作流體為分析對(duì)象，分析微通道內(nèi)部流體的流動(dòng)情況和整個(gè)微通道散熱器的溫度分布情況。為了進(jìn)行對(duì)比分析，本文建立了基于傳統(tǒng)直通式供液方式的微通道散熱器模型。該模型僅冷卻液進(jìn)出口形式與本文提出的設(shè)計(jì)方案不同。

2.1 邊界條件

當(dāng)微通道散熱器工作時(shí)，微通道內(nèi)部的冷卻液以一定的流速和初始溫度進(jìn)入冷卻液分配器，然后從8組通道的中間位置進(jìn)入散熱器基板微通道并向通道兩邊的出口位置流動(dòng)，后流經(jīng)冷卻液匯流器從出口流出，進(jìn)入外部的循環(huán)換熱系統(tǒng)，再開始新的循環(huán)。冷卻液直接與各組微通道的表面接觸，運(yùn)輸由微通道散熱器基板傳導(dǎo)的熱源器件產(chǎn)生的熱量。一般的微通道尺寸為微米級(jí)，在特征尺寸小于50μm 時(shí)必須考慮尺寸效應(yīng)的影響（如對(duì)液體黏度的修正等）。本研究中微通道的尺寸為200 μm，所以不用考慮尺寸效應(yīng)的影響，Navier-Stokes 方程和現(xiàn)有的宏觀傳熱理論仍然適用于本模型。

2.2 求解方法

本文采用ANSYS Icepak 軟件對(duì)整個(gè)分析模型的物理過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，采用Icepak 中的六面體占優(yōu)網(wǎng)格（Mesher-HD）劃分單元。微通道散熱器的基板和蓋板材質(zhì)均為鋁，冷卻液為去離子水。冷卻液和散熱器材料的屬性參數(shù)見表1。

表1 冷卻液和散熱器材料屬性參數(shù)表

在求解前檢測(cè)流體流動(dòng)的雷諾數(shù)為1 034，小于2 320，所以選用層流流動(dòng)模型進(jìn)行模擬計(jì)算。在所有設(shè)置完成以后對(duì)模型進(jìn)行檢查，然后調(diào)用Fluent求解器進(jìn)行求解計(jì)算。求解時(shí)采用雙精度模式，最大迭代步數(shù)設(shè)置為200，流動(dòng)殘差值設(shè)置為0.001，能量殘差值設(shè)置為1e?7。

3 仿真結(jié)果

新型微通道散熱器和采用直通式供液方式的傳統(tǒng)微通道散熱器基板面的溫度云圖如圖2 所示，這兩種微通道散熱器熱源的溫度分布如圖3 所示。提取基板上每個(gè)熱源的溫度進(jìn)行計(jì)算，得到新型微通道散熱器熱源的最高溫度比傳統(tǒng)微通道散熱器熱源的最高溫度低7.422 3?C。圖3(a)中基板面熱源溫度均值為51.65?C，方差為0.201 376?C；圖3(b)中基板面熱源溫度均值為51.787 57?C，方差為6.552 942?C。通過(guò)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)新型微通道散熱器基板面熱源的最高溫度低于傳統(tǒng)微通道散熱器基板面熱源的最高溫度，而且其均溫性也遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)微通道散熱器的均溫性。此外，新型微通道散熱器結(jié)構(gòu)能有效減小沿通道內(nèi)冷卻液流動(dòng)方向的溫升。

圖2 基板面溫度云圖對(duì)比

圖3 熱源溫度分布對(duì)比

在入口流量皆為0.000 2 m3/s 的情況下，兩種微通道散熱器8 組通道內(nèi)部冷卻液的平均流速如圖4 所示。從圖4 可以看出，新型微通道散熱器各組通道內(nèi)部的流量基本一致，而傳統(tǒng)微通道散熱器各組通道內(nèi)部的流量有較大的差異。

圖4 通道內(nèi)部平均流速對(duì)比

提取2 種微通道模型進(jìn)出口的壓力值，得到在相同條件下新型微通道散熱器入口和出口的壓降為12 kPa，而傳統(tǒng)微通道散熱器入口和出口的壓降為45 kPa。對(duì)比發(fā)現(xiàn)在減小壓降方面，新型散熱器同樣優(yōu)于傳統(tǒng)微通道散熱器。新型散熱器從通道的中間供給冷卻液，使冷卻液的流動(dòng)長(zhǎng)度約為傳統(tǒng)散熱器的一半，所以新型散熱器冷卻液在通道內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中通道壓降小。在實(shí)際應(yīng)用中，相比于傳統(tǒng)散熱器，新型微通道散熱器可以選用泵浦功率小的泵。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述仿真研究，本文研制了一個(gè)微通道散熱器樣件。微通道散熱器的材料選用易于加工成型的6061 鋁合金。采用微細(xì)銑削工藝加工出滿足要求的微通道散熱器的各個(gè)零件，然后通過(guò)金屬擴(kuò)散焊把各個(gè)零件焊接為一體。新型微通道散熱器樣件未焊接之前的部分零件和焊接成型后的樣件如圖5 所示。

圖5 新型微通道實(shí)驗(yàn)樣件

本文搭建出如圖6 所示的微通道散熱器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。散熱對(duì)象為單芯片熱源，冷卻液采用去離子水。在測(cè)試時(shí)24 個(gè)微波功率電阻器組成陣列熱源，通過(guò)導(dǎo)熱硅脂和耐高溫膠粘貼在微通道散熱器上，如圖6(b)所示。所用直流電源的輸出電壓為0 ～200 V，輸出電流為0 ～10 A，最大輸出功率為2 000 W。結(jié)合電源、陶瓷發(fā)熱片的電阻值和所要測(cè)量的發(fā)熱功率范圍，最終確定微波功率電阻器的供電電路，如圖6(c)所示。把24 個(gè)陶瓷加熱器片分為4 組，每組的6個(gè)陶瓷發(fā)熱片先串聯(lián)在一起，然后4 組串聯(lián)電路并為一個(gè)總路。

圖6 微通道散熱器實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證新型微通道散熱器仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性，本文開展了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。每個(gè)電阻的發(fā)熱功率為60 W，總發(fā)熱功率為1 440 W，入口流量為160 L/h，入口水溫為25?C，環(huán)境溫度為20.8?C。在該工況下測(cè)得的微通道散熱器表面各組電阻的上表面溫度如圖7 所示。

圖7 部分通道發(fā)熱電阻表面溫度對(duì)比結(jié)果

在該工況下，實(shí)測(cè)的最高溫度為65.2?C，最低溫度為58.5?C，平均溫度為61.18?C，均方差為1.96?C。仿真結(jié)果的最高溫度為61.8?C，最低溫度為59.2?C，平均溫度為60.52?C，均方差為0.96?C。4 組通道試驗(yàn)和仿真的平均誤差為1.86%。利用紅外熱像儀拍攝當(dāng)前工況下的溫度分布。圖8 分別給出了當(dāng)前工況下的實(shí)測(cè)和仿真溫度云圖。

圖8 實(shí)測(cè)和仿真溫度云圖對(duì)比

隨后，利用該樣件又開展了其他4 種工況下的仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，限于篇幅，這里不再給出具體結(jié)果?？傮w來(lái)說(shuō)，該樣件仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的最大誤差為6.8%，平均誤差為1.37%。誤差是由微通道的加工質(zhì)量和焊接質(zhì)量導(dǎo)致的。在觀察沒(méi)有焊接成型的微通道散熱器時(shí)，發(fā)現(xiàn)加工的通道隔板略有變形，這會(huì)使仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不一致。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了集成T 形分液器的新型微通道散熱器結(jié)構(gòu)，建立了數(shù)值仿真模型，完成了散熱性能的對(duì)比研究。根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果研制了微通道散熱器樣件，搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該新型微通道具有好的溫度一致性，在總發(fā)熱功率為1 440 W 時(shí)，溫度的均方差小于2?C。仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的最大誤差為6.8%，平均誤差為1.37%。