微通道液冷冷板散熱特性研究*

任 恒, 房景仕， 張根烜

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088)

0 引言

為了實現(xiàn)有源天線陣面小型化、高可靠性的目標(biāo)，軍用電子元器件向高密度、高集成度方向發(fā)展，基礎(chǔ)功能模塊向極小化、多功能化的趨勢發(fā)展。未來作為相控陣雷達核心器件的T/R組件或其他功率組件,其熱耗將達到千瓦量級[1-3]，功率芯片局部熱點熱流密度將可能超過200 W/cm2。電子器件都有其工作溫度的上限，任何設(shè)計精良的電子設(shè)備在長期過熱及不均勻熱應(yīng)力的情況下都會發(fā)生故障或失效。美空軍整體計劃分析報告里指出：電子設(shè)備的失效有55%是由溫度引起的，“10 ℃法則”也明確指出：半導(dǎo)體器件的溫度每升高10 ℃，其可靠性就會降低50%[4-9]。對于熱流密度達到80 W/cm2的電子元器件的散熱問題，自然冷卻、強迫風(fēng)冷已經(jīng)無法解決，強迫液冷冷卻技術(shù)被認為是解決高熱流密度電子設(shè)備散熱的有效方法。

冷板是強迫液冷冷卻技術(shù)的核心部件，翅片作為冷板的主要散熱部分，也是組成擴展表面的基本部分。通常翅片的幾何參數(shù)為：厚度0.2～1 mm、翅片間距0.5～5 mm、翅片高度2.5～20 mm，材料一般為鋁或銅。目前表面成型工藝主要為高速銑削，焊接方式主要有電子束焊、真空釬焊、攪拌摩擦焊和擴散焊等[10-12]。電子束焊為熔焊的一種，由于熔焊易對焊縫周邊的微通道產(chǎn)生影響，如堵塞或熔化飛濺物進入腔體等，因此構(gòu)型復(fù)雜換熱能力較強的微通道結(jié)構(gòu)不適合采用電子束焊。蛇形通道冷板及深孔鉆結(jié)構(gòu)冷板流道簡單，焊接區(qū)域小，較適合采用電子束焊。攪拌摩擦焊適合較為復(fù)雜的微通道結(jié)構(gòu)，但主要適用于對接接頭，由于受攪拌頭的限制，腔體內(nèi)部導(dǎo)流塊無法焊接，對臺階式的接頭應(yīng)加以選擇性采用。真空釬焊焊接成本低，技術(shù)成熟度高，但由于微通道冷板流道間隙極小，尺寸范圍正好在毛細作用力最大的尺寸值，導(dǎo)致釬焊時極易有多余釬料填充到微通道中堵塞流道，影響散熱效果。擴散焊適用于焊接截面大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的焊件，但焊接成本較高，工藝還不夠成熟。

通過文獻調(diào)研[13-16]發(fā)現(xiàn)，目前高速銑削能完成的較小微通道間距×高度尺寸分別為0.2 mm× 2 mm、0.3 mm×4 mm、 0.4 mm×4 mm、0.5 mm×5 mm，最小翅片厚度為0.3 mm。在加工翅片間距為0.2 mm和0.3 mm的微通道時，刀具很容易發(fā)生折斷且加工效率極低。本文選取3種典型冷板結(jié)構(gòu)形式，即蓋板與底板翅片焊接、蓋板與底板翅片不焊接及雙面插排翅片，在考慮加工工藝、生產(chǎn)效率和換熱性能等因素，選取接近常規(guī)高效加工極限0.4 mm的翅片厚度，對各構(gòu)型冷板的最大散熱能力進行了探究，分析了不同的熱流密度、冷卻液流量、翅片厚度間距以及翅片高度等因素對冷板換熱系數(shù)和換熱效率的影響，對液冷冷板設(shè)計有參考和借鑒意義。

冷板散熱能力與其熱交換面積緊密相關(guān)，一般來說，微通道總面積不變情況下，翅片越厚間距越大熱交換面積越小，冷板散熱能力越低。翅片厚度和間距對冷板散熱能力影響在很多文獻[12,17]中已有詳細分析，本文不再贅述。

1 冷板典型構(gòu)型

根據(jù)冷板加工及焊接形式，將常規(guī)尺度下(翅片厚度0.2～1 mm)微通道分為3種典型結(jié)構(gòu)，分別為采用真空釬焊的翅片頂端與蓋板焊接(圖1)、采用攪拌摩擦焊的各翅片頂端與蓋板不焊接(圖2)以及雙面插排形式的翅片頂端與蓋板不焊接(圖3)。

圖1 構(gòu)型1(翅片頂端與蓋板焊接)

圖2 構(gòu)型2(翅片頂端與蓋板不焊接)

圖3 構(gòu)型3(雙面插排，翅片頂端與蓋板不焊接)

2 散熱能力參數(shù)定義及計算模型

針對3種典型結(jié)構(gòu)形式，對各型冷板的散熱能力進行了研究。典型芯片大小為10 mm×30 mm×2 mm，冷板大小為100 mm×40 mm×9 mm(長×寬×厚 )，翅片高為5 mm，冷板單邊厚為2 mm。微通道區(qū)域面積為10 mm×30 mm，與芯片大小相同，位于芯片正下方。熱源功率Q分別取90，120，150，180，210，240，270和300 W，對應(yīng)熱流密度q分別為30，40，50，60，70，80，90和100 W/cm2。

冷卻液入口溫度30 ℃，取典型流量1.8 L/min，根據(jù)芯片功率大小選取不同流量可以考察流量變化對功率器件溫度的影響。根據(jù)翅片的成型方式，最小翅片厚度取0.4 mm，深度和間距根據(jù)冷板不同構(gòu)型有所變化。

(a) 芯片與冷板尺寸及相對位置

為衡量不同冷板的散熱能力，我們定義了冷板的換熱系數(shù)h1和換熱效率k：

(1)

式中，Q為熱源發(fā)熱量(W)，N為微通道數(shù)目，A為單個通道的對流換熱面積(m2)，Tw為微通道的表面溫度可近似取貼近微通道壁面的芯片溫度，Tf為流體的平均溫度，一般可取冷卻液進出口溫度平均值。

A=2(b+L)h

(2)

式中，h，b和L分別為微通道的高度、寬度和長度。

(3)

式中，qv為冷板流量(m3/s)，ΔP為冷板壓損(Pa)。

熱仿真計算采用ANSYS Icepak 軟件進行，根據(jù)軟件建模的特點和要求，在保證仿真結(jié)果不失真的前提下，對仿真模型進行了部分簡化，主要如下：

1) 忽略了冷板與周圍空氣的對流散熱；

2) 忽略了輻射散熱因素；

3) 芯片與冷板采用焊接形式，忽略接觸熱阻。

3 結(jié)果分析

3.1 熱流密度對冷板散熱性能影響

對不同熱流密度下的3種冷板散熱性能進行了分析。計算條件如下：翅片厚度0.4 mm，間距0.5 mm，翅高5 mm，翅片長28 mm，總換熱面積S=4.752×10-3m2，冷卻液流量固定為1.8 L/min，冷卻液進口溫度為30 ℃。對3種不同冷板構(gòu)型進行了仿真分析，分析結(jié)果見圖5～7。3種冷板上功率器件的溫度都隨著芯片熱耗的增加而迅速增高，但在相同的熱流密度下，發(fā)現(xiàn)構(gòu)型3冷板上功率器件溫度最低，這與構(gòu)型3翅片間距小、換熱面積大有關(guān)。另外，計算結(jié)果表明構(gòu)型2冷板流阻為9 490 Pa，相較于構(gòu)型1的流阻增加不多，而構(gòu)型3流阻為5.6×104Pa，約為構(gòu)型1冷板流阻的6倍，從運行效率上來說，構(gòu)型3冷板為系統(tǒng)帶來了較大的流阻，不利于整個液冷系統(tǒng)的設(shè)計。綜合以上分析數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)構(gòu)型2冷板最為均衡，即可以保證功率器件有較低的溫度，也能保證整個冷板的低壓損。

圖5 功率器件溫度隨熱流密度變化

圖6 冷板換熱系數(shù)隨熱流密度變化

圖7 冷板換熱效率隨熱流密度變化

3.2 冷卻液流量對冷板散熱性能影響

圖9 冷板換熱效率隨冷卻液流量變化

對不同冷卻液流量下的3種冷板散熱性能進行了分析。功率管熱耗取240 W，此時芯片的熱流密度為80 W/cm2，考察冷卻液流量對3種不同構(gòu)型冷板的影響。根據(jù)圖8～9的計算結(jié)果可知構(gòu)型1冷板在從冷卻液流量0.6 L/min到1.4 L/min過程中，功率管溫度降了3.5 ℃，而冷卻液流量從1.4 L/min到2.2 L/min的過程中，功率管溫度只降低了1.2 ℃，說明在流量增加的初始階段，冷卻液流量對功率器件溫度影響較大，當(dāng)冷卻液流量較大時，流量對功率器件溫度影響逐步減小，當(dāng)冷卻液流量足夠大時，功率器件溫度不再變化。這就要求在冷板設(shè)計中根據(jù)整個發(fā)熱設(shè)備的熱耗，合理預(yù)計冷卻液流量：在能滿足散熱要求的前提下，盡量減小冷卻液流量，這樣可以減小冷板的壓力損失，利于整個液冷系統(tǒng)進行流量分配。另外也可降低液冷源對水泵和管路的要求，提高液冷源使用效率。對3種構(gòu)型進行對比，可以發(fā)現(xiàn)相同熱流密度、相同流量下構(gòu)型3功率管溫度最低，構(gòu)型2次之，構(gòu)型1溫度最高，這與構(gòu)型3翅片較密、換熱面積較大有關(guān)，但是小的翅片間距帶來了較大的流動阻力，不利于冷卻液的分配。

圖8 功率器件溫度隨冷卻液流量變化

3.3 翅片與蓋板間隙對散熱能力影響

對不同翅片蓋板間隙下的3種冷板散熱性能進行了分析。構(gòu)型2、3與構(gòu)型1最大區(qū)別在于構(gòu)型2、3中翅片與蓋板之間有間隙，而構(gòu)型1中翅片和蓋板完全沒有間隙。翅片與蓋板間的間隙使冷板流道內(nèi)局部流體流動狀態(tài)轉(zhuǎn)為湍流，從而增強了換熱效果。為了研究翅片和蓋板間隙大小對冷板散熱能力的影響，進行了一系列計算，計算條件為：功率器件熱量240 W，熱流密度80 W/cm2，冷卻液流量取1.8 L/min，翅片和蓋板間隙分別為 0.1，0.2，0.3，0.4，0.5及0.6 mm。計算結(jié)果如圖10所示，構(gòu)型2和構(gòu)型3冷板都是在翅片蓋板間隙0.3 mm時功率器件溫度最低，此時局部湍流導(dǎo)致的換熱效果最為顯著。另外可以看到構(gòu)型3換熱面積是構(gòu)型2換熱面積近1.5倍，更大的換熱面積使功率器件溫度比構(gòu)型2降低了約5 ℃。

圖10 功率器件溫度隨蓋板間隙變化

3.4 翅片高度對散熱能力影響

為了分析不同翅片高度下冷板的換熱能力，本節(jié)對構(gòu)型2分別考察了翅片高度為3，4，5及6 mm四種情況。針對特定的翅片厚度，又考察了單邊冷板厚度對計算結(jié)果的影響。計算過程中保持以下參數(shù)不變：熱量240 W，熱流密度80 W/cm2，流量1.8 L/min。以翅片高度為3 mm為例進行詳盡分析與描述，仿真分析后發(fā)現(xiàn)翅片高度為4 mm和6 mm時結(jié)論與3 mm情況類似，在此不再贅述。

由于構(gòu)型2中冷板翅片與蓋板之間有間隙，當(dāng)冷板翅片高度為3 mm時，首先考察蓋板與翅片間隙對冷板散熱能力的影響。如表1及圖11所示，當(dāng)翅片和蓋板間隙為0.2 mm時，功率芯片溫度最低，約為61.93 ℃，此時冷板流阻約為18 kPa，滿足冷板的低流阻要求。此時冷板換熱系數(shù)和換熱效率最高，分別約為2 434 W/(m2·℃) 和4 420/ (m2·℃) 。結(jié)果說明當(dāng)翅片與蓋板間隙為0.2 mm時，構(gòu)型2冷板的換熱能力最強，后面考察冷板單邊厚度對冷板換熱能力的影響時，翅片蓋板間隙都取0.2 mm。

表1 構(gòu)型2冷板蓋板間隙對冷板散熱能力影響

圖11 構(gòu)型2翅片蓋板間隙對功率器件溫度的影響

以上計算條件不變，翅片蓋板間隙取0.2 mm，考察當(dāng)冷板單邊厚度分別為2.5，2.25，2，1.75，1.5和1.25 mm時冷板的換熱能力。各算例計算結(jié)果如圖12所示。

圖12 不同冷板厚度下功率管溫度隨熱流密度變化

根據(jù)以上結(jié)果可知，翅片高度為3 mm、單邊冷板厚度為1.25 mm時功率芯片溫度最低，2.5 mm時功率芯片溫度最高，這說明冷板壁厚越厚熱阻越大，與理論推測結(jié)果一致。芯片熱流密度越大，冷板單邊厚度對計算結(jié)果影響越大。

將不同翅片高度下翅片和蓋板間隙對功率管溫度情況進行對比(圖13)，可以發(fā)現(xiàn)對于翅片高度為3，4和5 mm冷板，翅片與蓋板間隙小于0.2 mm時功率芯片溫度降低很快，當(dāng)翅片蓋板間隙大于0.2 mm時翅片高度為3 mm的冷板溫度增加很快，而翅片高度為4 mm和5 mm的冷板功率芯片溫度增加緩慢。對于翅片高度為6 mm的冷板，在翅片蓋板間隙小于0.3 mm時芯片溫度迅速減小，大于0.3 mm時增幅很小。這與微通道內(nèi)流體與翅片的熱交換過程有關(guān)。

圖13 不同微通道高度、不同間隙對冷板散熱能力

4 結(jié)束語

本文對3種典型的微通道冷板散熱能力進行了研究，發(fā)現(xiàn)構(gòu)型2和構(gòu)型3比構(gòu)型1散熱能力強，這與構(gòu)型2和3翅片和蓋板間隙改變了冷卻液流動狀態(tài)，間接增強了冷板的換熱能力有關(guān)。構(gòu)型3比構(gòu)型2散熱能力強，但構(gòu)型3冷板流動阻力較大，不利于整個液冷系統(tǒng)的流量分配。研究了冷卻液流量對功率芯片溫度影響，發(fā)現(xiàn)冷卻液流量較小時，流量增加可大幅降低芯片溫度，當(dāng)冷卻液流量足夠大時，冷卻液流量對芯片溫度影響不大。通過對不同翅片高度和不同單邊厚度的冷板進行研究，發(fā)現(xiàn)翅片高度6 mm工況下當(dāng)翅片和蓋板間隙0.3 mm時冷板散熱能力最強，其余厚度冷板翅片蓋板間隙0.2 mm時散熱能力最強。冷板單邊厚度越小，傳熱熱阻越小，功率器件溫度越低。該研究結(jié)果對冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計與電子設(shè)備仿真分析有重要借鑒意義。