集成T 形分液器的微通道散热器设计与实验*

赵文忠，殷黎明，周金柱，李 唐

（1. 中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西 西安710068；2. 西安电子科技大学电子装备结构设计教育部重点实验室，陕西西安710071）

引 言

随着集成电路技术和电子封装技术的迅猛发展，电子元器件呈现微型化和高热流密度化发展趋势，因此电子设备热设计越来越重要。传统冷却方式（自然风冷、强迫风冷及强迫液冷）最大的散热能力很难突破100 W/cm2，难以满足热流密度高达几百瓦每平方厘米的有源相控阵天线T/R 芯片的散热要求，所以目前有源相控阵天线的热控制问题成为制约其发展的主要技术瓶颈之一。

在众多解决方案中，微通道散热器被认为是较为理想的选择。20 世纪80 年代初期，文献[1]首先提出了微通道散热器概念，指出用50 µm 宽、300 µm深的矩形肋片阵列微通道，在1 cm2芯片上能散去790 W 的热量，且使芯片表面温度低于71◦C。对该简单矩形肋片微散热器的大量研究结果表明，微通道散热器具有热阻低、效率高、可与芯片集成加工等诸多优良特性[2-4]，但通道内流体流动会产生较大压降，沿着流动方向存在温升，流动区域和非流区域温差较大，很难满足某些电子设备（如有源相控阵天线T/R 芯片阵列）温度均匀化的要求。针对传统矩形肋片阵列微通道的缺点，国内外学者提出了一些改进方案，如盘形分支微通道散热器[5]、直角树形微通道网络散热器[6]、Y 形微通道散热器[7]等。文献[8]同时应用实验和数值计算两种方法研究矩形单管微通道的流动和传热特性，得到的结果具有高度一致性，偏差不到5%，极大地推动了微通道散热器的研究。

针对相控阵天线降温和均温的散热要求，本文提出了一种具有倒T 形冷却液分配器的新型微通道散热器。与传统结构的微通道散热器进行的对比分析表明，该新型结构微通道散热器具有很好的温度均匀性。

1 新型微通道结构设计

根据许多电子设备温度均匀化的散热要求，本文从减小温差和通道压降的角度出发，设计出如图1所示的新型微通道散热器。由图1(a)可以看出，该微通道散热器结构由基板和盖板组成。盖板包含2个冷却液汇流器、1 个冷却液分配器、2 块矩形板、2 个冷却液出口和1 个冷却液入口。整个微通道散热器相对于中间平面对称。在图1(b)所示的基板上有8 组通道，通道之间存在一定的间距。每组通道由20 个微通道组成，在每组通道的两边各有1 个冷却液出口。图1(c)为冷却液分配器。冷却液由入口流入，先由1 个倒T 形分液结构平均分为2 份，再由2 个倒T 形分液结构平均分为4 份，最后由4 个倒T 形分液结构平均分为8 份，使得每组通道的内部流量相同，保证每组通道的散热能力一致。被均匀分为8 份的冷却液从8 组通道中间位置进入散热器基板微通道向两边的出口位置流动，后流经冷却液汇流器，从出口流出。冷却液汇流器的结构与冷却液分配器的结构完全一样，不同之处在于它们内部通道冷却液的流动方向完全相反。根据散热器的工作换热面积不小于热源器件换热面积的原则，散热器的整体尺寸可以根据实际应用任意调整。作为演示验证设计思想的样品，该验证模型的整机尺寸为107.4 mm×80.0 mm×18.0 mm。8 组通道中每组通道之间的距离为12.8 mm，每组通道中的20 个矩形微通道尺寸为0.2 mm×1.5 mm×60.0 mm，每个微通道之间的距离为0.2 mm。

上述微通道散热器的基板和盖板采用硅材料或铝合金材料。采用硅基材料时，可以采用光刻或刻蚀技术在基材上加工微通道基板和盖板，然后通过键合工艺把基板和盖板键合成一体；采用铝合金材料时，可以采用微细铣削技术或微细电火花技术在铝合金基材上加工微通道基板和盖板，然后通过钎焊工艺或扩散焊工艺将它们焊接成一体。

图1 微通道散热器结构示意图

2 仿真模型

在三维建模软件Pro/E 中建立如图1 所示的微通道散热器CAD 模型，输出为step 格式文件并导入ANSYS Workbench 中的Design Modeler 模块转化为Icepak 热分析软件所需的CAE 模型。以整个微通道散热器内部的工作流体为分析对象，分析微通道内部流体的流动情况和整个微通道散热器的温度分布情况。为了进行对比分析，本文建立了基于传统直通式供液方式的微通道散热器模型。该模型仅冷却液进出口形式与本文提出的设计方案不同。

2.1 边界条件

当微通道散热器工作时，微通道内部的冷却液以一定的流速和初始温度进入冷却液分配器，然后从8组通道的中间位置进入散热器基板微通道并向通道两边的出口位置流动，后流经冷却液汇流器从出口流出，进入外部的循环换热系统，再开始新的循环。冷却液直接与各组微通道的表面接触，运输由微通道散热器基板传导的热源器件产生的热量。一般的微通道尺寸为微米级，在特征尺寸小于50µm 时必须考虑尺寸效应的影响（如对液体黏度的修正等）。本研究中微通道的尺寸为200 µm，所以不用考虑尺寸效应的影响，Navier-Stokes 方程和现有的宏观传热理论仍然适用于本模型。

2.2 求解方法

本文采用ANSYS Icepak 软件对整个分析模型的物理过程进行数值模拟，采用Icepak 中的六面体占优网格（Mesher-HD）划分单元。微通道散热器的基板和盖板材质均为铝，冷却液为去离子水。冷却液和散热器材料的属性参数见表1。

表1 冷却液和散热器材料属性参数表

在求解前检测流体流动的雷诺数为1 034，小于2 320，所以选用层流流动模型进行模拟计算。在所有设置完成以后对模型进行检查，然后调用Fluent求解器进行求解计算。求解时采用双精度模式，最大迭代步数设置为200，流动残差值设置为0.001，能量残差值设置为1e−7。

3 仿真结果

新型微通道散热器和采用直通式供液方式的传统微通道散热器基板面的温度云图如图2 所示，这两种微通道散热器热源的温度分布如图3 所示。提取基板上每个热源的温度进行计算，得到新型微通道散热器热源的最高温度比传统微通道散热器热源的最高温度低7.422 3◦C。图3(a)中基板面热源温度均值为51.65◦C，方差为0.201 376◦C；图3(b)中基板面热源温度均值为51.787 57◦C，方差为6.552 942◦C。通过对比，发现新型微通道散热器基板面热源的最高温度低于传统微通道散热器基板面热源的最高温度，而且其均温性也远优于传统微通道散热器的均温性。此外，新型微通道散热器结构能有效减小沿通道内冷却液流动方向的温升。

图2 基板面温度云图对比

图3 热源温度分布对比

在入口流量皆为0.000 2 m3/s 的情况下，两种微通道散热器8 组通道内部冷却液的平均流速如图4 所示。从图4 可以看出，新型微通道散热器各组通道内部的流量基本一致，而传统微通道散热器各组通道内部的流量有较大的差异。

图4 通道内部平均流速对比

提取2 种微通道模型进出口的压力值，得到在相同条件下新型微通道散热器入口和出口的压降为12 kPa，而传统微通道散热器入口和出口的压降为45 kPa。对比发现在减小压降方面，新型散热器同样优于传统微通道散热器。新型散热器从通道的中间供给冷却液，使冷却液的流动长度约为传统散热器的一半，所以新型散热器冷却液在通道内流动过程中通道压降小。在实际应用中，相比于传统散热器，新型微通道散热器可以选用泵浦功率小的泵。

4 实验结果

根据上述仿真研究，本文研制了一个微通道散热器样件。微通道散热器的材料选用易于加工成型的6061 铝合金。采用微细铣削工艺加工出满足要求的微通道散热器的各个零件，然后通过金属扩散焊把各个零件焊接为一体。新型微通道散热器样件未焊接之前的部分零件和焊接成型后的样件如图5 所示。

图5 新型微通道实验样件

本文搭建出如图6 所示的微通道散热器实验系统。散热对象为单芯片热源，冷却液采用去离子水。在测试时24 个微波功率电阻器组成阵列热源，通过导热硅脂和耐高温胶粘贴在微通道散热器上，如图6(b)所示。所用直流电源的输出电压为0 ～200 V，输出电流为0 ～10 A，最大输出功率为2 000 W。结合电源、陶瓷发热片的电阻值和所要测量的发热功率范围，最终确定微波功率电阻器的供电电路，如图6(c)所示。把24 个陶瓷加热器片分为4 组，每组的6个陶瓷发热片先串联在一起，然后4 组串联电路并为一个总路。

图6 微通道散热器实验测试

为了验证新型微通道散热器仿真结果和实验结果的一致性，本文开展了实验验证。每个电阻的发热功率为60 W，总发热功率为1 440 W，入口流量为160 L/h，入口水温为25◦C，环境温度为20.8◦C。在该工况下测得的微通道散热器表面各组电阻的上表面温度如图7 所示。

图7 部分通道发热电阻表面温度对比结果

在该工况下，实测的最高温度为65.2◦C，最低温度为58.5◦C，平均温度为61.18◦C，均方差为1.96◦C。仿真结果的最高温度为61.8◦C，最低温度为59.2◦C，平均温度为60.52◦C，均方差为0.96◦C。4 组通道试验和仿真的平均误差为1.86%。利用红外热像仪拍摄当前工况下的温度分布。图8 分别给出了当前工况下的实测和仿真温度云图。

图8 实测和仿真温度云图对比

随后，利用该样件又开展了其他4 种工况下的仿真和实验测量，限于篇幅，这里不再给出具体结果。总体来说，该样件仿真结果和实测结果的最大误差为6.8%，平均误差为1.37%。误差是由微通道的加工质量和焊接质量导致的。在观察没有焊接成型的微通道散热器时，发现加工的通道隔板略有变形，这会使仿真结果与实验结果不一致。

5 结束语

本文提出了集成T 形分液器的新型微通道散热器结构，建立了数值仿真模型，完成了散热性能的对比研究。根据设计结果研制了微通道散热器样件，搭建了实验系统并进行了实验测试。数值仿真和实验测试结果表明，该新型微通道具有好的温度一致性，在总发热功率为1 440 W 时，温度的均方差小于2◦C。仿真结果和实测结果的最大误差为6.8%，平均误差为1.37%。