集成T 形分液器的微通道散熱器設計與實驗*

趙文忠，殷黎明，周金柱，李 唐

（1. 中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安710068；2. 西安電子科技大學電子裝備結構設計教育部重點實驗室，陜西西安710071）

引 言

隨著集成電路技術和電子封裝技術的迅猛發展，電子元器件呈現微型化和高熱流密度化發展趨勢，因此電子設備熱設計越來越重要。傳統冷卻方式（自然風冷、強迫風冷及強迫液冷）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題成為制約其發展的主要技術瓶頸之一。

在眾多解決方案中，微通道散熱器被認為是較為理想的選擇。20 世紀80 年代初期，文獻[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。對該簡單矩形肋片微散熱器的大量研究結果表明，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良特性[2-4]，但通道內流體流動會產生較大壓降，沿著流動方向存在溫升，流動區域和非流區域溫差較大，很難滿足某些電子設備（如有源相控陣天線T/R 芯片陣列）溫度均勻化的要求。針對傳統矩形肋片陣列微通道的缺點，國內外學者提出了一些改進方案，如盤形分支微通道散熱器[5]、直角樹形微通道網絡散熱器[6]、Y 形微通道散熱器[7]等。文獻[8]同時應用實驗和數值計算兩種方法研究矩形單管微通道的流動和傳熱特性，得到的結果具有高度一致性，偏差不到5%，極大地推動了微通道散熱器的研究。

針對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。與傳統結構的微通道散熱器進行的對比分析表明，該新型結構微通道散熱器具有很好的溫度均勻性。

1 新型微通道結構設計

根據許多電子設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，設計出如圖1所示的新型微通道散熱器。由圖1(a)可以看出，該微通道散熱器結構由基板和蓋板組成。蓋板包含2個冷卻液匯流器、1 個冷卻液分配器、2 塊矩形板、2 個冷卻液出口和1 個冷卻液入口。整個微通道散熱器相對于中間平面對稱。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 個微通道組成，在每組通道的兩邊各有1 個冷卻液出口。圖1(c)為冷卻液分配器。冷卻液由入口流入，先由1 個倒T 形分液結構平均分為2 份，再由2 個倒T 形分液結構平均分為4 份，最后由4 個倒T 形分液結構平均分為8 份，使得每組通道的內部流量相同，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 組通道中間位置進入散熱器基板微通道向兩邊的出口位置流動，后流經冷卻液匯流器，從出口流出。冷卻液匯流器的結構與冷卻液分配器的結構完全一樣，不同之處在于它們內部通道冷卻液的流動方向完全相反。根據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實際應用任意調整。作為演示驗證設計思想的樣品，該驗證模型的整機尺寸為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 個矩形微通道尺寸為0.2 mm×1.5 mm×60.0 mm，每個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，可以采用光刻或刻蝕技術在基材上加工微通道基板和蓋板，然后通過鍵合工藝把基板和蓋板鍵合成一體；采用鋁合金材料時，可以采用微細銑削技術或微細電火花技術在鋁合金基材上加工微通道基板和蓋板，然后通過釬焊工藝或擴散焊工藝將它們焊接成一體。

圖1 微通道散熱器結構示意圖

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 格式文件并導入ANSYS Workbench 中的Design Modeler 模塊轉化為Icepak 熱分析軟件所需的CAE 模型。以整個微通道散熱器內部的工作流體為分析對象，分析微通道內部流體的流動情況和整個微通道散熱器的溫度分布情況。為了進行對比分析，本文建立了基于傳統直通式供液方式的微通道散熱器模型。該模型僅冷卻液進出口形式與本文提出的設計方案不同。

2.1 邊界條件

當微通道散熱器工作時，微通道內部的冷卻液以一定的流速和初始溫度進入冷卻液分配器，然后從8組通道的中間位置進入散熱器基板微通道并向通道兩邊的出口位置流動，后流經冷卻液匯流器從出口流出，進入外部的循環換熱系統，再開始新的循環。冷卻液直接與各組微通道的表面接觸，運輸由微通道散熱器基板傳導的熱源器件產生的熱量。一般的微通道尺寸為微米級，在特征尺寸小于50μm 時必須考慮尺寸效應的影響（如對液體黏度的修正等）。本研究中微通道的尺寸為200 μm，所以不用考慮尺寸效應的影響，Navier-Stokes 方程和現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 軟件對整個分析模型的物理過程進行數值模擬，采用Icepak 中的六面體占優網格（Mesher-HD）劃分單元。微通道散熱器的基板和蓋板材質均為鋁，冷卻液為去離子水。冷卻液和散熱器材料的屬性參數見表1。

表1 冷卻液和散熱器材料屬性參數表

在求解前檢測流體流動的雷諾數為1 034，小于2 320，所以選用層流流動模型進行模擬計算。在所有設置完成以后對模型進行檢查，然后調用Fluent求解器進行求解計算。求解時采用雙精度模式，最大迭代步數設置為200，流動殘差值設置為0.001，能量殘差值設置為1e?7。

3 仿真結果

新型微通道散熱器和采用直通式供液方式的傳統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。提取基板上每個熱源的溫度進行計算，得到新型微通道散熱器熱源的最高溫度比傳統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。通過對比，發現新型微通道散熱器基板面熱源的最高溫度低于傳統微通道散熱器基板面熱源的最高溫度，而且其均溫性也遠優于傳統微通道散熱器的均溫性。此外，新型微通道散熱器結構能有效減小沿通道內冷卻液流動方向的溫升。

圖2 基板面溫度云圖對比

圖3 熱源溫度分布對比

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部的流量基本一致，而傳統微通道散熱器各組通道內部的流量有較大的差異。

圖4 通道內部平均流速對比

提取2 種微通道模型進出口的壓力值，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，而傳統微通道散熱器入口和出口的壓降為45 kPa。對比發現在減小壓降方面，新型散熱器同樣優于傳統微通道散熱器。新型散熱器從通道的中間供給冷卻液，使冷卻液的流動長度約為傳統散熱器的一半，所以新型散熱器冷卻液在通道內流動過程中通道壓降小。在實際應用中，相比于傳統散熱器，新型微通道散熱器可以選用泵浦功率小的泵。

4 實驗結果

根據上述仿真研究，本文研制了一個微通道散熱器樣件。微通道散熱器的材料選用易于加工成型的6061 鋁合金。采用微細銑削工藝加工出滿足要求的微通道散熱器的各個零件，然后通過金屬擴散焊把各個零件焊接為一體。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 新型微通道實驗樣件

本文搭建出如圖6 所示的微通道散熱器實驗系統。散熱對象為單芯片熱源，冷卻液采用去離子水。在測試時24 個微波功率電阻器組成陣列熱源，通過導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。結合電源、陶瓷發熱片的電阻值和所要測量的發熱功率范圍，最終確定微波功率電阻器的供電電路，如圖6(c)所示。把24 個陶瓷加熱器片分為4 組，每組的6個陶瓷發熱片先串聯在一起，然后4 組串聯電路并為一個總路。

圖6 微通道散熱器實驗測試

為了驗證新型微通道散熱器仿真結果和實驗結果的一致性，本文開展了實驗驗證。每個電阻的發熱功率為60 W，總發熱功率為1 440 W，入口流量為160 L/h，入口水溫為25?C，環境溫度為20.8?C。在該工況下測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 部分通道發熱電阻表面溫度對比結果

在該工況下，實測的最高溫度為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 組通道試驗和仿真的平均誤差為1.86%。利用紅外熱像儀拍攝當前工況下的溫度分布。圖8 分別給出了當前工況下的實測和仿真溫度云圖。

圖8 實測和仿真溫度云圖對比

隨后，利用該樣件又開展了其他4 種工況下的仿真和實驗測量，限于篇幅，這里不再給出具體結果。總體來說，該樣件仿真結果和實測結果的最大誤差為6.8%，平均誤差為1.37%。誤差是由微通道的加工質量和焊接質量導致的。在觀察沒有焊接成型的微通道散熱器時，發現加工的通道隔板略有變形，這會使仿真結果與實驗結果不一致。

5 結束語

本文提出了集成T 形分液器的新型微通道散熱器結構，建立了數值仿真模型，完成了散熱性能的對比研究。根據設計結果研制了微通道散熱器樣件，搭建了實驗系統并進行了實驗測試。數值仿真和實驗測試結果表明，該新型微通道具有好的溫度一致性，在總發熱功率為1 440 W 時，溫度的均方差小于2?C。仿真結果和實測結果的最大誤差為6.8%，平均誤差為1.37%。