基于声表面波的液冷微通道设计研究

张 亮

(中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西 西安 710068)



基于声表面波的液冷微通道设计研究

张 亮

(中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西 西安 710068)

在传统常规冷板的理论研究基础上，为解决微小元器件散热，设计了以声表面波为辅助的微米级微通道，并利用微机电系统(MEMS)技术制作了微通道与声表面波叉指换能器集成的微型结构，对声表面波破坏液体层流结构、加速液体混合的功能进行了验证。

微通道；微机电系统；声表面波；湍流

0 引 言

对于电子设备的散热，目前常用的强迫冷却技术主要有风冷和液冷，通常在热流密度超过一定范围后，风冷已很难奏效，难以满足总体要求。传统液冷系统依靠提高通道内液体的流速使冷却液达到紊流状态来强化传热，然而流速增大的同时也会带来流体阻力及泵功率消耗的增大。总之，随着电子器件热流密度的不断提高，传统液冷技术也面临更高的散热要求和更复杂的设计加工过程[1]。

1 理论研究

目前工程中应用的液冷冷板，流道宽度多为毫米级，主要以设备级、模块级冷却为主，即将设备或模块与机架的安装面或贴合面作为冷板，以传导方式将设备的热耗通过冷板快速导出，如图1所示。

但是，在射频、微波电路中，尤其是高频微波电路中，一些体积微小的高热耗单元、组件，热耗无法及时由设备壳体及冷板导出，局部工作温度过高，从而导致整个模块的工作性能下降乃至失效,而且由于高热器件局部安装环境复杂，常规的冷板设计与加工方法也难以对其实现覆盖。因此，本文以微小元器件工作散热问题为出发点，设计一种可以用于元器件级散热的微米级微通道。

微通道通常指当量直径在10 μm～1 mm的流道,其换热机理和常规换热器不同。1981年，2位美国学者Tuckerman和Pease开始最早的微通道散热研究，他们采用精密化学腐蚀法，在硅芯片基板上加工出槽宽和壁厚均为50 μm、深300 μm的平行多路液冷通道。之后，国内外有很多学者研究其结构尺寸对流动和换热的影响。人们发现，通道越窄，流道的热阻就越小，相同压降下微通道冷板的换热性能比常规冷板高很多。

一般来说，当量直径在10 μm～1 mm范围内的微通道结构，连续介质假设成立，N-S方程(粘性不可压缩流体动量守恒运动方程)仍然适用。典型的矩形多通道冷板结构如图2所示。

由传热学理论，有以下定义[2]：

通道当量(水力)直径:

Dh=2bcD/(bc+D)

(1)

通道流动雷诺数:

(2)

压力损失:

(3)

换热系数:

(4)

式中：ρ为流体密度；γ为流体运动粘度；λf为流体导热系数；f为阻力系数；Nu为努塞尔数；λfin为冷板基体材料导热系数。

和常规通道不同的是，微通道没有一个确定的转捩雷诺数，一般根据某个参数的突变来确定层流与湍流的分界。根据以上公式及相关的文献，可得出以下结论：

(1) 微通道的换热性能同通道宽度密切相关，宽度越小，换热系数越大[3]；

(2) 微通道中，由于尺度效应的影响，流体的转捩雷诺数提前到1 000～1 100 之间，当Re大于2 500时，微通道内达到湍流[4]。而湍流状态下，通道的换热性能将大大增加；

(3) 不计冷板体积影响，微通道冷板中槽道的高宽比越大，换热性能越好；

(4) 微通道当量直径越小，阻力系数越小，平均对流换热系数越大，即在相同面积上做多个微通道比一个大通道的换热效果好[5]。

综上所述，微矩形通道的设计，应从当量直径小、雷诺数大、流道宽度小3个方面考虑，进行微矩形通道的设计工作。

2 方案设计

本文研究的微米级液冷通道设计，属于微机电系统(MEMS)技术范畴。MEMS主要包括微型结构、微型传感器，微型执行器和相应的处理电路等的设计与研制，器件的整体几何空间多为厘米级，可以很好地与设备模块中的微型元器件耦合。

常规冷板的流道宽度约为1 mm，基于加工难度及流道特性差异综合考虑，本文设计4种微通道，流道宽度在常规冷板的基础上，降低数量级，选择宽度分别为80 μm、100 μm、120 μm、200 μm的通道。冷却介质由入口进入流道时，处于层流状态。由上文分析，微通道中的液体在湍流状态下的换热性能最好。而微通道环境下，流体的传质主要靠扩散作用。扩散是物质通过分子运动而自发产生的输运过程。通常粒子扩散一定距离ω所需要的时间t为：

(5)

式中：t为扩散时间；ω为扩散距离；D为分子扩散系数，其取值范围一般为10-9～10-11m2/s。

由式(5)可知，当流体完全混合、达到湍流状态所需的距离l为：

(6)

根据式(6)可以初步估计出在微通道中流体完全混合所需要的长度。例如，当液体流速为0.1 m/s时，采用流道宽度为200 μm，即混合距离ω=100 μm，分子(以水分子H2O为对象)扩散系数取值D=10-9m2/s，计算可得混合所需通道长度为1 m，远远大于微通道甚至模块、设备的实际空间，即冷却液进入微通道后，在短距离内几乎都处于层流状态，不利于换热系数的提高。

要使流体在微通道中保持湍流状态，必须在通道径向方向增加作用于流体的惯性力，破坏流体的层流结构、增大扰动。在设计流道时，在流道旁增加可以激发出声表面波(SAW)的器件，产生机械波作用于流体，使之很快进入湍流状态。

SAW是一种能在压电材料表面产生并按一定方向传播的机械波，它的能量主要集中在基片表面以下几个波长的深度范围内，振幅伴随深度的增加呈现指数规律衰减。可以产生SAW的器件称为叉指换能器(IDT)，IDT主要是通过光刻、溅射、剥离等MEMS技术，在压电材料(如铌酸锂、二氧化硅等)上制作出的状如人手交叉的一系列金属电极，实现电能、声能之间的相互转换功能。标准IDT形状及参数如图3所示。

当给输入叉指换能器特定电信号时，由于逆压电效应，换能器会在压电基底上激发出声表面波。SAW的频率、范围等均由图中的p、W等参数决定。

将设计的微通道长度初步定为20 mm，与叉指换能器并排放置，激发声表面波的传播方向与微流道方向垂直，制作的图形如图4所示,流道数目根据宽度的不同控制在40～80之间。图中，左侧为微流道，右侧为可以激发SAW的叉指换能器。

3 MEMS制造

根据所设计的流道图形，制作了实验所用的铬掩膜版。流道的基底材料选用直径10.16 cm的二氧化硅晶片。

3.1 光刻

在微流道和IDT的制作过程中，光刻是得到精细线条最关键的步骤。首先进行基片预处理，去除表面的金属离子、固体颗粒、残留物等。然后进行匀胶，将EGP533光刻胶滴加在基片表面，设置匀胶机(SC-1B型)转速为500 rpm，匀胶时间10 s，最后可以得到厚度约为15 μm厚的均匀胶层。图5是激光共聚焦显微镜下表面的匀胶高度微观示意图。

经过前烘，开始对基片进行曝光，对于15 μm厚的EGP533光刻胶，为避免曝光不足及曝光过度问题，经过反复实践及计算，最终设置曝光时间为5.2 s。图6为曝光成功后所得图形及曝光失败图。

3.2 金属溅射

对曝光后的基片进行后烘显影处理后，选用纯铝为靶材，采用多靶材共焦磁控溅射系统进行金属溅射，溅射速度约为0.5 μm/min。通过控制系统溅射时间，可以得到微米级别范围内的任意高度流道。经过90 min溅射，可以得到60 μm高的微流道结构。

最后，将溅射好的基片浸泡于丙酮溶液中，并用超声波振荡，直至叉指周围所有铝膜全部脱落。取出基片，用去离子水清洗，氮气吹干后，就得到制作完成的微流道及IDT，基片上流道与IDT的整体及微观图如图7所示，白色为溅射铝，暗色为基片表面。

4 湍流验证

在未设计微泵及密封盖板的情况下，对声表面波作用于流体的情况进行试验：23 ℃下，选用实验试剂甘油(纯度99%)和硫酸铜溶液，利用注射器在微流道位置分别滴加0.05 ml 2种溶液，记录不同时刻液滴混合情况，如图8所示。

仅在自然扩散作用下，2种液体经过长时间接触后依然有明显的分层现象，几乎无混合。将叉指换能器接入峰-峰值10Vpp的正弦电压信号，产生声表面波，记录不同时刻液滴混合情况，如图9所示。

可以看到，在声表面波作用下，由于声表面波的作用，液滴内部产生了大小不等的涡流，两液体边界层结构遭到破坏，很快达到了完全混合。

5 结束语

本文着眼于电子设备中高热耗的微型元器件散热问题，在液冷领域，运用流体力学理论，分析计算得出影响冷板换热系数的微通道设计参数，以MEMS技术为依托，提出以声表面波为外部驱动力、增大冷却液流动的雷诺数、提高换热系数的微冷板设计思路，设计出一种将声表面波器件与微流道结合的微型结构，并通过试验验证了声表面波作用于液体后的层流扰动效果。

下一步工作将以微流道的封装及驱动为出发点，对液体在微通道内的进出、微通道的散热效果、与设备高热耗器件耦合工作等方面进行深入研究。

[1] 揭贵生.大容量电力电子装置中板式水冷散热器的优化设计[J].机械工程学报，2010,46(2)：99-100.

[2] 豆会均.浅谈液冷技术发展[J].江苏航空,2011(S0):175-176.

[3] 刘一兵.矩形微通道流动换热特性的数值分析[J].红外技术,2010，32(5):307.

[4] 蒋洁.高热流微冷却器的换热性能研究[J].传感技术学报,2006,19(5)：2028.

[5] 刘焕玲.圆形微通的对流换热特性研究[J].电子科技大学学报,2009,38(3)：477-478.

ResearchintoTheDesignofLiquidCoolingMicro-channelBasedonAcousticSurfaceWave

ZHANG Liang
(The 20th Research Institute of CETC,Xi'an 710068,China)

Based on the theoretic study of traditional regular cold plate,this paper designs the micron grade micro-channel taking surface acoustic wave as auxiliary to solve the heat dissipation of tiny components,and fabricates the micro structure integrated by micro-channel and acoustic surface wave fork transducer by using micro-electro-mechanical system (MEMS) technology,validates the functions of acoustic surface wave destroying the liquid laminar flow structure and accelerating liquid mixing.

micro-channel;micro-electro-mechanical system;acoustic surface wave;turbulence

2017-05-10

TN305.94

：A

：CN32-1413(2017)03-0114-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.03.027