微通道液冷冷板散热特性研究*

任 恒, 房景仕， 张根烜

(中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088)

0 引言

为了实现有源天线阵面小型化、高可靠性的目标，军用电子元器件向高密度、高集成度方向发展，基础功能模块向极小化、多功能化的趋势发展。未来作为相控阵雷达核心器件的T/R组件或其他功率组件,其热耗将达到千瓦量级[1-3]，功率芯片局部热点热流密度将可能超过200 W/cm2。电子器件都有其工作温度的上限，任何设计精良的电子设备在长期过热及不均匀热应力的情况下都会发生故障或失效。美空军整体计划分析报告里指出：电子设备的失效有55%是由温度引起的，“10 ℃法则”也明确指出：半导体器件的温度每升高10 ℃，其可靠性就会降低50%[4-9]。对于热流密度达到80 W/cm2的电子元器件的散热问题，自然冷却、强迫风冷已经无法解决，强迫液冷冷却技术被认为是解决高热流密度电子设备散热的有效方法。

冷板是强迫液冷冷却技术的核心部件，翅片作为冷板的主要散热部分，也是组成扩展表面的基本部分。通常翅片的几何参数为：厚度0.2～1 mm、翅片间距0.5～5 mm、翅片高度2.5～20 mm，材料一般为铝或铜。目前表面成型工艺主要为高速铣削，焊接方式主要有电子束焊、真空钎焊、搅拌摩擦焊和扩散焊等[10-12]。电子束焊为熔焊的一种，由于熔焊易对焊缝周边的微通道产生影响，如堵塞或熔化飞溅物进入腔体等，因此构型复杂换热能力较强的微通道结构不适合采用电子束焊。蛇形通道冷板及深孔钻结构冷板流道简单，焊接区域小，较适合采用电子束焊。搅拌摩擦焊适合较为复杂的微通道结构，但主要适用于对接接头，由于受搅拌头的限制，腔体内部导流块无法焊接，对台阶式的接头应加以选择性采用。真空钎焊焊接成本低，技术成熟度高，但由于微通道冷板流道间隙极小，尺寸范围正好在毛细作用力最大的尺寸值，导致钎焊时极易有多余钎料填充到微通道中堵塞流道，影响散热效果。扩散焊适用于焊接截面大、结构复杂的焊件，但焊接成本较高，工艺还不够成熟。

通过文献调研[13-16]发现，目前高速铣削能完成的较小微通道间距×高度尺寸分别为0.2 mm× 2 mm、0.3 mm×4 mm、 0.4 mm×4 mm、0.5 mm×5 mm，最小翅片厚度为0.3 mm。在加工翅片间距为0.2 mm和0.3 mm的微通道时，刀具很容易发生折断且加工效率极低。本文选取3种典型冷板结构形式，即盖板与底板翅片焊接、盖板与底板翅片不焊接及双面插排翅片，在考虑加工工艺、生产效率和换热性能等因素，选取接近常规高效加工极限0.4 mm的翅片厚度，对各构型冷板的最大散热能力进行了探究，分析了不同的热流密度、冷却液流量、翅片厚度间距以及翅片高度等因素对冷板换热系数和换热效率的影响，对液冷冷板设计有参考和借鉴意义。

冷板散热能力与其热交换面积紧密相关，一般来说，微通道总面积不变情况下，翅片越厚间距越大热交换面积越小，冷板散热能力越低。翅片厚度和间距对冷板散热能力影响在很多文献[12,17]中已有详细分析，本文不再赘述。

1 冷板典型构型

根据冷板加工及焊接形式，将常规尺度下(翅片厚度0.2～1 mm)微通道分为3种典型结构，分别为采用真空钎焊的翅片顶端与盖板焊接(图1)、采用搅拌摩擦焊的各翅片顶端与盖板不焊接(图2)以及双面插排形式的翅片顶端与盖板不焊接(图3)。

图1 构型1(翅片顶端与盖板焊接)

图2 构型2(翅片顶端与盖板不焊接)

图3 构型3(双面插排，翅片顶端与盖板不焊接)

2 散热能力参数定义及计算模型

针对3种典型结构形式，对各型冷板的散热能力进行了研究。典型芯片大小为10 mm×30 mm×2 mm，冷板大小为100 mm×40 mm×9 mm(长×宽×厚 )，翅片高为5 mm，冷板单边厚为2 mm。微通道区域面积为10 mm×30 mm，与芯片大小相同，位于芯片正下方。热源功率Q分别取90，120，150，180，210，240，270和300 W，对应热流密度q分别为30，40，50，60，70，80，90和100 W/cm2。

冷却液入口温度30 ℃，取典型流量1.8 L/min，根据芯片功率大小选取不同流量可以考察流量变化对功率器件温度的影响。根据翅片的成型方式，最小翅片厚度取0.4 mm，深度和间距根据冷板不同构型有所变化。

(a) 芯片与冷板尺寸及相对位置

为衡量不同冷板的散热能力，我们定义了冷板的换热系数h1和换热效率k：

(1)

式中，Q为热源发热量(W)，N为微通道数目，A为单个通道的对流换热面积(m2)，Tw为微通道的表面温度可近似取贴近微通道壁面的芯片温度，Tf为流体的平均温度，一般可取冷却液进出口温度平均值。

A=2(b+L)h

(2)

式中，h，b和L分别为微通道的高度、宽度和长度。

(3)

式中，qv为冷板流量(m3/s)，ΔP为冷板压损(Pa)。

热仿真计算采用ANSYS Icepak 软件进行，根据软件建模的特点和要求，在保证仿真结果不失真的前提下，对仿真模型进行了部分简化，主要如下：

1) 忽略了冷板与周围空气的对流散热；

2) 忽略了辐射散热因素；

3) 芯片与冷板采用焊接形式，忽略接触热阻。

3 结果分析

3.1 热流密度对冷板散热性能影响

对不同热流密度下的3种冷板散热性能进行了分析。计算条件如下：翅片厚度0.4 mm，间距0.5 mm，翅高5 mm，翅片长28 mm，总换热面积S=4.752×10-3m2，冷却液流量固定为1.8 L/min，冷却液进口温度为30 ℃。对3种不同冷板构型进行了仿真分析，分析结果见图5～7。3种冷板上功率器件的温度都随着芯片热耗的增加而迅速增高，但在相同的热流密度下，发现构型3冷板上功率器件温度最低，这与构型3翅片间距小、换热面积大有关。另外，计算结果表明构型2冷板流阻为9 490 Pa，相较于构型1的流阻增加不多，而构型3流阻为5.6×104Pa，约为构型1冷板流阻的6倍，从运行效率上来说，构型3冷板为系统带来了较大的流阻，不利于整个液冷系统的设计。综合以上分析数据，可以发现构型2冷板最为均衡，即可以保证功率器件有较低的温度，也能保证整个冷板的低压损。

图5 功率器件温度随热流密度变化

图6 冷板换热系数随热流密度变化

图7 冷板换热效率随热流密度变化

3.2 冷却液流量对冷板散热性能影响

图9 冷板换热效率随冷却液流量变化

对不同冷却液流量下的3种冷板散热性能进行了分析。功率管热耗取240 W，此时芯片的热流密度为80 W/cm2，考察冷却液流量对3种不同构型冷板的影响。根据图8～9的计算结果可知构型1冷板在从冷却液流量0.6 L/min到1.4 L/min过程中，功率管温度降了3.5 ℃，而冷却液流量从1.4 L/min到2.2 L/min的过程中，功率管温度只降低了1.2 ℃，说明在流量增加的初始阶段，冷却液流量对功率器件温度影响较大，当冷却液流量较大时，流量对功率器件温度影响逐步减小，当冷却液流量足够大时，功率器件温度不再变化。这就要求在冷板设计中根据整个发热设备的热耗，合理预计冷却液流量：在能满足散热要求的前提下，尽量减小冷却液流量，这样可以减小冷板的压力损失，利于整个液冷系统进行流量分配。另外也可降低液冷源对水泵和管路的要求，提高液冷源使用效率。对3种构型进行对比，可以发现相同热流密度、相同流量下构型3功率管温度最低，构型2次之，构型1温度最高，这与构型3翅片较密、换热面积较大有关，但是小的翅片间距带来了较大的流动阻力，不利于冷却液的分配。

图8 功率器件温度随冷却液流量变化

3.3 翅片与盖板间隙对散热能力影响

对不同翅片盖板间隙下的3种冷板散热性能进行了分析。构型2、3与构型1最大区别在于构型2、3中翅片与盖板之间有间隙，而构型1中翅片和盖板完全没有间隙。翅片与盖板间的间隙使冷板流道内局部流体流动状态转为湍流，从而增强了换热效果。为了研究翅片和盖板间隙大小对冷板散热能力的影响，进行了一系列计算，计算条件为：功率器件热量240 W，热流密度80 W/cm2，冷却液流量取1.8 L/min，翅片和盖板间隙分别为 0.1，0.2，0.3，0.4，0.5及0.6 mm。计算结果如图10所示，构型2和构型3冷板都是在翅片盖板间隙0.3 mm时功率器件温度最低，此时局部湍流导致的换热效果最为显著。另外可以看到构型3换热面积是构型2换热面积近1.5倍，更大的换热面积使功率器件温度比构型2降低了约5 ℃。

图10 功率器件温度随盖板间隙变化

3.4 翅片高度对散热能力影响

为了分析不同翅片高度下冷板的换热能力，本节对构型2分别考察了翅片高度为3，4，5及6 mm四种情况。针对特定的翅片厚度，又考察了单边冷板厚度对计算结果的影响。计算过程中保持以下参数不变：热量240 W，热流密度80 W/cm2，流量1.8 L/min。以翅片高度为3 mm为例进行详尽分析与描述，仿真分析后发现翅片高度为4 mm和6 mm时结论与3 mm情况类似，在此不再赘述。

由于构型2中冷板翅片与盖板之间有间隙，当冷板翅片高度为3 mm时，首先考察盖板与翅片间隙对冷板散热能力的影响。如表1及图11所示，当翅片和盖板间隙为0.2 mm时，功率芯片温度最低，约为61.93 ℃，此时冷板流阻约为18 kPa，满足冷板的低流阻要求。此时冷板换热系数和换热效率最高，分别约为2 434 W/(m2·℃) 和4 420/ (m2·℃) 。结果说明当翅片与盖板间隙为0.2 mm时，构型2冷板的换热能力最强，后面考察冷板单边厚度对冷板换热能力的影响时，翅片盖板间隙都取0.2 mm。

表1 构型2冷板盖板间隙对冷板散热能力影响

图11 构型2翅片盖板间隙对功率器件温度的影响

以上计算条件不变，翅片盖板间隙取0.2 mm，考察当冷板单边厚度分别为2.5，2.25，2，1.75，1.5和1.25 mm时冷板的换热能力。各算例计算结果如图12所示。

图12 不同冷板厚度下功率管温度随热流密度变化

根据以上结果可知，翅片高度为3 mm、单边冷板厚度为1.25 mm时功率芯片温度最低，2.5 mm时功率芯片温度最高，这说明冷板壁厚越厚热阻越大，与理论推测结果一致。芯片热流密度越大，冷板单边厚度对计算结果影响越大。

将不同翅片高度下翅片和盖板间隙对功率管温度情况进行对比(图13)，可以发现对于翅片高度为3，4和5 mm冷板，翅片与盖板间隙小于0.2 mm时功率芯片温度降低很快，当翅片盖板间隙大于0.2 mm时翅片高度为3 mm的冷板温度增加很快，而翅片高度为4 mm和5 mm的冷板功率芯片温度增加缓慢。对于翅片高度为6 mm的冷板，在翅片盖板间隙小于0.3 mm时芯片温度迅速减小，大于0.3 mm时增幅很小。这与微通道内流体与翅片的热交换过程有关。

图13 不同微通道高度、不同间隙对冷板散热能力

4 结束语

本文对3种典型的微通道冷板散热能力进行了研究，发现构型2和构型3比构型1散热能力强，这与构型2和3翅片和盖板间隙改变了冷却液流动状态，间接增强了冷板的换热能力有关。构型3比构型2散热能力强，但构型3冷板流动阻力较大，不利于整个液冷系统的流量分配。研究了冷却液流量对功率芯片温度影响，发现冷却液流量较小时，流量增加可大幅降低芯片温度，当冷却液流量足够大时，冷却液流量对芯片温度影响不大。通过对不同翅片高度和不同单边厚度的冷板进行研究，发现翅片高度6 mm工况下当翅片和盖板间隙0.3 mm时冷板散热能力最强，其余厚度冷板翅片盖板间隙0.2 mm时散热能力最强。冷板单边厚度越小，传热热阻越小，功率器件温度越低。该研究结果对冷板结构设计与电子设备仿真分析有重要借鉴意义。