093278刘用鹿蜂窝层叠微通道热沉系统散热性能实验研究.doc

传热传质学编号:093278中国工程热物理年会学术会议论文蜂窝层叠微通道热沉系统散热性能实验研究*刘用鹿，罗小兵，刘伟(华中科技大学能源与动力工程学院，武汉，430074)(Tel: 027-87542618 E-mail: deerlyl@)摘要：本文介绍了一种多层蜂禹形微通道热沉的设计与加工方法并对其进行了散热性能实验基于光 化学刻蚀方法加工的微通道板通过层层廉加的方式，在内部形成了微肋交错扰动的流体通道，冇效限 制了热边界层的发展该设计方法在增加微通道内比表面积的同时，也通过微结构对流体进行扰动从 而达到强化传热目的，改善了基板温度分布均匀性，同时控制了加工成本实验搭建了一个小型远程 换热封闭系统，系统管路采用内径＜i)2mm的316L不锈钢管，总长2.3米，対设计的-•种两进两出蜂 爲形微通道热沉换热测试实验农明，在泵功消耗0.72W情况下，其有效散热热流密度达到17.7 W/cn?, 基板温度控制在61.4-C,为电子器件散热应用提供了一种良好的系统结构关键词：蜂窝形，微通道，层叠，散热引言随着微机电系统的广泛应用，各种电子元器件功能模块高度集成化和微型化，如何 对其进行有效的热管理和控制是当今电子设计和封装过程中需要考虑的关键问题之一。

Tuckerman和Pease⑴于1981年提出的微通道散热器的设计思想是电子散热研究领域中 的一个重耍里程碑，其设计的一种矩形微通道散热器有效散热达到了 790W/cm2o受到 此开创性工作的鼓舞，对微通道散热辭的研究得到了国内外研究者们的极人关注⑵⑶ 虽然微通道散热器具有结构紧凑，比农面积大，换热系数高等应用特点，但在强化传热 和提高受热面均温性等方面还是有待提高和优化当工作流体流过加热的较长平直流道 时，流体吸收热量使得流体温度沿着流动方向会一直升高，同时，由于热边界层的形成 和发展,对流换热系数也会沿着流动方向在减小对于微通道内的单相流换热情况，减 小和控制热边界层厚度和进一步增加换热比表而积是提简其散热能力的有效途径 Kishimoto和Sasaki⑷设计了一种菱形错列微肋结构来降低基板芯片组工作时不同位置 处的结点温度秀异通过交错排列布置的微肋结构，使得热边界层的充分发展受到限制, 和比较平行直流排列的微肋结构，其分析结果表明使用叉排布置的肋片结构可使基板芯 片组的结点温度差最大町降低25%oKandlikarfllUpadhye⑸也提出了一•种错列窄肋结构, 通过将流体进出散热器方式由两端单向进出改为中间流入两端流出方式，在强化传热的 同时减少流体在微通道内的流动距离而冇效减阻。

X.Q. Wang, A.S. Mujumdar和C. Yap⑹ 对一种树状结构的矩形微通道热沉进行了数值模拟，结果表明这种流体网络结构相比传国家自然科学基金(No. 50721005)资助项目统的平行宜流通道而言，其基板温度分布均匀性和功耗损失得到了改善陈永平和郑平 ⑺通过实验也验证了分形树状微通道散热器具冇较高的热冇效性虽然现代微加工技术的发展使得一些复杂结构的微通道设计变成现实，但由此也帯 來了高成本和低可靠性等一•系列问题将多层微通道结构层叠在一•起以在有限的封装空 间内形成更大的比表面积和复朵三维立体结构是降低加工难度的一种有效替代方式 Vafai和Zhu罔设计了一个两层亞加的逆流矩形结构微通道热沉模型，计算结果表明该结 构相对单层热沉來说，基板温升和降低功耗方面都得到了明显的改善X.J. Wei和Y. Joshi[9][,0]分析了多层微通道结构的散热特性，结果显示在散热能力相同的情况下，多层 微通道结构所需流体流量和功耗相比单层结构而言大大降低基于增人微通道散热器比表面积和减小热边界层厚度以强化传热的目的，本文提出 了一种新的蜂窝形微通道热沉散热系统，讨论了该散热系统的结构形式并对其进行了单 相流散热实验测试。

实验搭建了一个小型远程换热封闭系统，系统管路采用内径2mm 的316L不锈钢管，总长2.3米，对设计的一种两进两出蜂駕形微通道热沉换热测试实 验表明，在泵功消耗0.72W情况下，•其有效散热热流密度达到17.7 W/cm2,基板温度控 制在61.4C,为电子器件散热应用提供了一种良好的系统结构1系统结构设计L蜂窝形微通道结构山多层微通道板叠合而成，单层基本结构如图1 (a)所示，在一 片长L,宽W,厚H的平总金属薄片上刻蚀加工出多个紧密排列的规则蜂窝形微孔单 元，每个单元尺寸由其外切圆直径d和肋宽/确定，如图1 (b),在金属薄片的四周留 冇宽度为Q的实体区域留作层层焊接使用将此多层金属薄片按正反顺序上下层层叠 合，由于孔隙距离相互错位，在内部即形成交错排列的蜂駕形微通道结构，如图2所示, 每一层上的微孔孔隙单元空间都被上下层相应单元的微肋所分隔，在垂直于微通道板平 面的方向上形成了类似Z形的蜿蜒通道使用导热系数高的金属材料作为微通道板材 料，层层亞加紧密贴合，工作流体沿通道流动时受到层与层间交错微肋金属骨架的扰动, 有效限制热边界层的发展，提高热交换能力此种微通道结构可在有限的封装空间内增 加换热面积的同吋，利用交错排列的微肋限制热边界厚度以强化传热。

图1单层微通道板结构尺寸示意图(a)蜂窝形微通道板采用金属光化学蚀刻方法加工该技术利用光致抗蚀剂的模板来实 现对选定区域的化学刻蚀加工，适用于不锈钢、铜及其合金、鎳、锡及其铁合金、铝等 金属，和玻璃、光嫩玻璃、聚合物等各种材料在经清洁处理并覆上感光膜涂层的金属 板上，通CAD/CAM技术，将所需刻蚀的图样印制于正负两张胶片上，胶片上包含非透光区（黑色——将被蚀刻的部分）以及透光区（透明色——免除蚀刻的部分），分别贴 在金属板的两面对位放置好后，将材料曝光，光线只照到胶片透光区下方的涂层，被 照光涂层硬化作用，使得后来显影液无法溶除该硬化涂层显影Z后，使用蚀刻剂 溶解除硬化保护层以外的材料，以得到所需的部件形状该加工方法工艺成熟可靠，不 需模具的设计制造，牛产周期短，应变快，可加工任何复杂图样由于加工过程中无外 力冲击，加工部件不变形，平整度好，也不改变材料电磁特性等，特别适用于快速、低 成木地生产复杂形状的薄金属部件将上述加工出的蜂窝形微通道板层层紧密叠合压紧 或焊接在一起，装入一个封闭腔体内，下部紧密贴合热源表面，流体从腔体上部沿垂直 于微通道板平血的方向进岀，吸收并带走热量, 示。

蜂贞形微通道散热实验系统由加热系 统、微通道热沉、散热器、储液器、微泵及 连接管路构成一个循环系统，其示意图如图 4所示工作流体在微泵的驱动下进入微通 道热沉，带走加热系统的热量，流体温度升 高，进入散热器和外界环境交换热量，温度 下降，工作流体重新进入储液器在微泵的推 动下开始新一轮循环实验过程中，调节微 泵的工作电压町以得到不同的系统流量，流 量的测量由浮子流量计指示，使川时通过标 准称重法进行标定加热系统由紫铜加热器 与控制系统组成，加热器上表面尺寸形成蜂窝形微通道热沉整体，如图3所流体入口图3蜂窝形微通道热沉结构图数据采集系统PC微通道热沉、交流电源rRirRi丿一 - 2—3—4—二5…6—7I j1-盖板2-微通道热沉3-TIM4-热电偶测温点5-加热器6-热绝缘板 7-底板图5热沉封装结构截面图储液器流量计散热器-O微泵{X—排水口40><20mm,底部插入两根80W加热棒，距加热面下部7mm处两侧均钻有（p 1 mm小孔, 实验时插入热电偶，以监测基板温度实验时依靠夹具将微通道热沉紧密压合在加热器 上表面，两者接触面涂抹硅胶以减小接触热阻，四周整体保温良好，其封装结构如图5 所示。

散热实验采用水作为循环工作流体图4实验系统图微通道热沉采用黄铜加工，具体尺寸如表1所示，热沉进出水管采用316L不锈钢 管，外径6mm,内径4nwi,采丿IJ两进两出的布置为实现长距离热量传输，系统管路采用外径3mm,内径2mm的316L不锈钢管，其中热沉出口至散热器进口系统管路长 1.2m,散热器出口至热沉进口管路长l」m实验测温采用铜一康铜T型热电偶，测温 前经恒温标定炉标定，以对其进行测温偏差补偿（精度0.2C）,通过数据采集仪（Keithley2700）记录环境温度、棊板温度、微通道热沉进出口流体温度和散热器进出 口流体温度系统流量采用精度士lg的犬平称重法得到具平均质量流量对微通道热沉, 其有效带走的热量可根据式（1）得到，从而对微通道热沉的散热效果进行评估Q = c 肿AT （1）式中Cp为流体定压比热，m为流体质量流量，AT为热沉进出口流体平均温度差值对应的有效散热热流密度可按下式计算：q = Q/A （2）式中A为热沉受热面的而积，在此处为8cm2o实验过程中通过直流稳压电源记录 微泵的工作电压和电流（电压测试精度1V,电流测试精度0.1A）,可根据式（3）得 到泵工作功耗。

P = VI （3）其中V为泵工作电压，I为工作电流热源加热器的加热功率由外接功率表指示（误 差 5W）表1小型蜂窝层叠微通道散热实验系统结构参数图热沉结构 尺寸L(mm)VV(mm)H(mm)a(mni)t(mm)d(mm)进出口管直径 夕卜/内（mm）叠加 层数40200. 1610.22.496/4152实验结果与分析6560(p) 2n(5」a)duJaJ_—•— Inlet temperature…Outlet temperature -V— Substrate temperature 1Substrate temperature 2 --O - Environment temperature252015204080 100 12060Time (Min.)505050505665544332(o) 220① dEelStop heating一•一 Inlet temperature )A Outlet temperature .▽ Substrate temperature 1 :•夺 Substrate temperature 24 6 8 10 12 14 16 18Time (Min.)图6相同泵功不同加热功率对系统性能的影响图7加热150W下热沉测点温度变化图如图6所示，实验系统测试了在不同输入加热功率下对应的热沉测点温度变化，实 验过程中微泵的工作参数为DC3V, 0.24A,总功率消耗0.72W,测试环境温度13.9C, 调节输入加热功率按80->90-> 100^ 110^ 120-> 130-> 140W变化，系统稳定后，分别测 试不同加热功率下的微通道热沉进出水温及基板温度。

从图中町以看岀，在泵功不变的 悄况下，随着加热功率的提高，热沉出口温度和基板温度也在上升，且监控基板温度的 两个热电偶温度变化趋势和测量数值非常相近，在图上两条基板测点温度曲线已经近似 重合，表明在此位置上温度分布比较均匀当输入加热功率为80W时，此吋系统流量 113ml/min,进口温度13.6C,出口温度21.6C,根据式（1）所得系统有效散热63.2W,对应的基板测试温度为42.7C o如图7所示，当加热功率为150W时，此时实验系统参 数测定为：环境温度17.8C,系统流量115ml/min,微泵工作参数保持为DC3V, 0.24A, 总功率消耗0.72W,进口温度1 &9C,出口温度36.6C,。