高功率射頻微系統(tǒng)的微泵研究進展*

王 銳，錢吉裕，魏 濤，黃豪杰

（南京電子技術研究所，江蘇南京210039）

引 言

隨著作戰(zhàn)需求的不斷拓展，雷達、電子戰(zhàn)等射頻電子裝備不斷向高集成度和大功率方向發(fā)展[1–2]。傳統(tǒng)開式循環(huán)遠程散熱技術（芯片→熱沉→封裝→冷板→終端熱沉）已不能滿足高熱流密度堆疊芯片的散熱需求以及微系統(tǒng)的容雜質隔離度需求，亟待發(fā)展微型化的閉式循環(huán)片上冷卻技術，提升芯片的散熱性能及射頻微系統(tǒng)的可靠性[3–4]。

泵作為閉式冷卻系統(tǒng)的核心部件，為片上冷卻循環(huán)提供動力?？商峁┐罅髁亢透邠P程的傳統(tǒng)機械泵的外形尺寸難以滿足微型化及集成化需求，而微流控泵（壓電、靜電、電滲等）的工作性能較低，不能滿足射頻微系統(tǒng)的散熱需求。因此，亟待找尋符合高熱流密度射頻微系統(tǒng)需求的微泵，指明高性能微泵的研究方向，解決射頻微系統(tǒng)散熱瓶頸，破除雷達威力性能提升的限制壁壘，在激烈的競爭中搶占先機。

1 射頻微系統(tǒng)冷卻的微泵需求

1.1 冷卻架構

采用兩級冷卻的散熱架構，可解決高熱流密度堆疊芯片的散熱需求以及微系統(tǒng)的容雜質隔離度需求[5]。如圖1所示，第一級是片上冷卻循環(huán)，芯片下硅基板具有散熱微流道，高溫共燒陶瓷（High Temperature Co-fired Ceramic,HTCC）基板實現集分水功能，后端集成微泵、微換熱器、微傳感器等熱控元件，實現片上閉式冷卻循環(huán)；第二級是系統(tǒng)冷卻循環(huán)，在系統(tǒng)級集分水腔中通過微換熱器與片上冷卻循環(huán)實現換熱。采用兩級冷卻循環(huán)的優(yōu)勢在于片上冷卻系統(tǒng)實現了射頻微系統(tǒng)與冷卻結構的一體化或集成化，顯著提高了容雜質能力、隔離度和可靠性。

圖1 芯片散熱兩級冷卻循環(huán)架構

微泵作為該散熱架構中的關鍵部件，為片上冷卻循環(huán)提供動力。一方面，功放芯片的高發(fā)熱量要求片上循環(huán)的冷卻液的流量要大；另一方面，為提高換熱面積設計的硅基微流道使循環(huán)的流阻極大，要求片上微泵的揚程要高。因此微型化大流量、高揚程新型泵的研發(fā)勢在必行。

1.2 流量與揚程需求

以圖1的64點微系統(tǒng)子陣單元散熱為例，單點芯片熱流密度按500 W/cm2計算，子陣總熱耗達2.88 kW，液冷系統(tǒng)按冷卻工質20?C溫升設計，流量需求約為2.4 L/min。每個子陣單元配置2個微泵，單泵流量需求為1.2 L/min。

以其中16點子陣芯片為仿真分析單元，單芯片熱耗為45 W，芯片貼附于具有微流道的硅基板散熱層，仿真結果如圖2所示。冷卻工質的供液溫度為40?C，芯片最高溫度為78.9?C，滿足降額需求。硅基通道內流阻約為1.2×105Pa，附加HTCC基板與微換熱器中的流動阻力，冷卻循環(huán)流阻預估為1.5×105Pa。因此，滿足本例中射頻微系統(tǒng)散熱需求的微泵流量與揚程分別為1.2 L/min與15 m。

圖2 16點子陣芯片單元熱仿真

通過以上分析，為滿足大功率射頻微系統(tǒng)散熱需求，微泵的典型性能應滿足：流量達到1 L/min量級，揚程達到10 m量級。

2 微型流體驅動泵類型

微型流體驅動泵種類繁多，按是否具有運動部件的標準，可分為有運動部件驅動泵和無運動部件驅動泵，如圖3所示。無運動部件的微泵主要包括電流體驅動泵、磁流體驅動泵和氣泡驅動泵；有運動部件驅動泵主要包括振動隔膜驅動泵與旋轉式驅動泵[6–7]。

圖3 微型流體驅動泵分類[6]

2.1 無運動部件驅動泵

電流體驅動泵依靠電場作用力來驅動冷卻流體，按電場作用力原理可分為感應式、注射式、極化式、離子拖動式等。電流體驅動泵要求冷卻工質導電，且驅動流速通常低于100μm/s[8]。

磁流體驅動泵依靠變化磁場對流體的磁場力來驅動流體，無需隔膜，可配合被動止回閥使用。磁流體驅動泵要求冷卻工質為磁流體，最大流量達325μL/min[9]。

氣泡式驅動泵依靠相變產生的氣泡對流體的不平衡作用力來驅動流體。其設備架構簡單，會在極小空間內消耗較多能量進行相變，產生驅動力來輸送流體。氣泡式驅動泵要求冷卻工質發(fā)生相變，流量通常為1～200μL/min[10]。

顯然，無運動部件驅動泵對冷卻工質具有特殊要求，且流量通常低于1 mL/min，與射頻微系統(tǒng)散熱L/min的流量需求存在量級差異。

2.2 有運動部件驅動泵

2.2.1 振動隔膜驅動泵

振動隔膜驅動泵按其振動膜片的致動機制可劃分為壓電泵、蠕動泵、電磁泵、熱泵、氣動泵等。壓電泵利用壓電元件的逆壓電效應實現驅動電能和壓電振子機械能向流體動能轉化。針對大流量應用需求，利用壓電堆作為驅動。壓電堆的流量最高可達3 L/min，但尺寸達到Φ38 mm×140 mm，因此利用壓電堆驅動難以實現微型化[11]。針對微型化應用需求，利用壓電晶片作為驅動，可采用多個壓電泵串聯或并聯的方式提高流量與揚程[12]。某所將壓電晶片驅動泵應用于64點芯片陣列微系統(tǒng)散熱，其最大工作流量為36 mL/min，可實現熱耗為10 W、熱流密度為42 W/cm2的芯片陣列的散熱[13]。

蠕動泵利用隔膜驅動流體連續(xù)向前推動，它具有控制精度高、密封性好、工質兼容性好、流向可逆等優(yōu)勢。某所將微型蠕動泵應用于芯片微系統(tǒng)冷卻，使用的低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic,LTCC）微通道冷卻系統(tǒng)如圖4所示。該蠕動泵提供27 mL/min的流量，可實現熱流密度為120 W/cm2的單芯片的散熱[14]。

圖4 由蠕動微泵驅動的微通道冷卻系統(tǒng)

顯然，振動隔膜驅動泵可為較低熱流密度的陣列芯片或總熱耗較低的單個芯片提供滿足散熱需求的流量和揚程，但與射頻微系統(tǒng)散熱L/min級的流量需求仍存在較大差異。

2.2.2 旋轉式驅動泵

旋轉式驅動泵依靠泵內轉子的旋轉，將電機的機械能轉換為液體的動能，達到輸送液體或給液體增壓的目的，其中以齒輪泵和離心泵最為常見。

齒輪泵是依靠缸體與齒輪間形成的容積變化和移動來輸送液體或增壓的容積泵，其機械效率顯著高于離心泵。然而，齒輪泵需要一定的容積空間來實現機械能轉換，厚度難以減薄。圖5為流量在L/min級的齒輪泵外形。泵的性能可滿足微系統(tǒng)循環(huán)需求，而泵體的厚度超過了20 mm。齒輪泵的厚度包括齒輪厚度、容積腔高度和外接電機厚度。由于齒輪泵需要依靠容積變化來輸送液體或增壓，因此難以進一步壓縮其空間以滿足微型化的應用需求。

圖5 齒輪泵產品（揚程100 m，流量1 L/min）

離心泵依靠電機驅動泵軸旋轉，帶動葉輪高速旋轉，產生的離心力輸送泵內冷卻工質。與其他微型流體驅動泵相比，它具有顯著的大流量和高揚程的特點。某所設計的四芯片微系統(tǒng)冷卻原理樣機（圖6），采用某高校研制的水力懸浮離心微泵[15]（直徑23 mm，高25 mm，流量1 L/min，揚程5 m），可滿足500 W/cm2的四芯片微系統(tǒng)冷卻需求。然而，該離心微泵厚25 mm，顯著高于微系統(tǒng)其他部件，沒有達到輕薄化要求，且擴展至更多點子陣芯片時，需增加分水設計，導致系統(tǒng)流阻增加，其揚程暫時無法滿足需求。

圖6 配置離心微泵的芯片微系統(tǒng)

顯然，旋轉式驅動泵可為高熱流密度陣列芯片提供較大的流量和較高的揚程。齒輪泵因其容積變化特性無法進一步微型化，但可進一步改進離心泵，使其滿足射頻微系統(tǒng)散熱的微型化與高揚程需求。

3 泵性能曲線

以圖1的微系統(tǒng)子陣單元散熱為例，微通道壓降與冷卻液流量間的流阻曲線見圖7。微泵需同時滿足1.2 L/min以上的流量及15 m以上的揚程，滿足冷卻需求的微泵功率曲線必須穿過技術需求區(qū)（陰影區(qū)域）。由微泵類型可知，壓電、蠕動、電流體、磁流體、氣泡式等微泵提供的流量和揚程與當前需求存在數量級的差異（實線框區(qū)域），而離心微泵與當前需求接近。某所與某企業(yè)聯合研制的高性能離心微泵（直徑46 mm，高12.5 mm）已基本滿足微系統(tǒng)散熱性能的需求，但微泵的外形尺寸仍不符合集成化、微型化使用要求，需進一步優(yōu)化以實現輕薄化與高性能。

圖7 微泵性能曲線與技術需求

4 射頻微系統(tǒng)冷卻的微泵研究方向

4.1 電機優(yōu)化方向

離心微泵設計研究的核心為電機和轉子葉輪，其中電機是泵的重要組成部分，是實現高性能和泵體輕薄化的關鍵。

直流無刷電機具有體積小、重量輕、轉矩特性優(yōu)異、效率高、可靠性高等優(yōu)勢，適用于離心泵的驅動，某所已研制的離心微泵就采用了該電機。電機優(yōu)化可從電機灌封、定子材料、徑向擴展3個方面進行。

電機灌封指將液態(tài)復合物灌入裝有繞線線圈的電機內，固化成為性能優(yōu)異的熱固性高分子絕緣材料[16]。一方面，將線圈間空氣置換為灌封材料，可極大地提高散熱能力，進一步提高電機轉速及整體性能；另一方面，灌封可提高絕緣性，進一步減小繞線銅線的直徑，降低電機厚度。

對于定子材料，可用新能源汽車驅動電機中的高強度無取向硅鋼替換當前定子鐵心使用的普通硅鋼[17]。新材料硅鋼可增強磁感，增加強度以抵抗高轉速下的離心力，降低高頻下的鐵損，從而提高電機轉速，加大扭矩，提升微泵的性能。

徑向擴展指通過離心微泵定子的優(yōu)化設計擴展徑向尺寸，進一步增加定子鐵心的數量和磁通量，提升電機及微泵的性能。

除直流無刷電機外，可嘗試研發(fā)新型電機以實現電機輕薄化。例如，用由印制電路板（Printed Circuit Board,PCB）跡線制成的電磁線圈制造軸向磁通電動機，稱為PCB電機[18]。該電機的厚度可轉移至基板中，PCB跡線形成的電動機定子的電磁線圈平行于圓盤形轉子，永磁體嵌入轉子的圓盤，交流電驅動定子線圈使轉子旋轉。目前PCB電機已在無人機驅動領域得到應用，其厚度明顯小于傳統(tǒng)無刷電機的厚度。不過，目前它在微泵領域尚未得到應用，其電機扭矩有待進一步提高以滿足微泵的高揚程需求。

4.2 葉輪優(yōu)化方向

葉輪是泵的重要組成部分，也是實現高性能與泵體輕薄化的關鍵?？赏ㄟ^流動仿真設計分析，改進葉輪形態(tài)尺寸設計，防止葉輪汽擊，增強冷卻能力，提高葉輪轉速，提升單位厚度的泵性能，實現離心泵小尺寸下的高性能。圖8為離心微泵葉輪內流體仿真圖。

圖8 離心微泵葉輪內流體仿真

5 結束語

微泵是實現高熱流密度射頻微系統(tǒng)冷卻的核心部件。目前的無運動部件驅動泵與射頻微系統(tǒng)散熱流量需求存在量級差異，振動隔膜驅動泵僅能滿足低熱流密度陣列芯片或低熱耗單芯片的微系統(tǒng)散熱需求，旋轉式驅動泵可為高熱流密度陣列芯片提供較大的流量和較高的揚程?？蓮碾姍C和葉輪的優(yōu)化方向開展研究，研制兼?zhèn)涓咝阅芎臀⑿突卣鞯碾x心微泵，解決射頻微系統(tǒng)的散熱瓶頸問題。