用于高密度集成微系统的微通道散热技术研究进展

作者:兰洋科技    浏览量:5460    时间:2023年05月09日    标签: 微通道散热 电子元器件 散热方法 风冷散热

【摘  要】随着电子产品向小型化、多功能、大功率发展以及集成度的不断提高,必然会带来热量更为集中、热流密度不断升高的问题。为保证可靠工作,实现电子产品,尤其是高密度集成微系统的高效散热就显得尤为重要。与传统的散热技术相比,微通道散热器可直接集成在器件/系统基板内,制造工艺兼容性好,散热路径短、散热能力强,特别适用于高密度集成微系统的热管控。本文综述了微通道散热器传热传质特性的表征、影响因素及强化方法。对微通道结构进行优化设计、采用以纳米流体为代表的高性能冷却介质是提高微通道散热器综合散热性能的主要手段。目前在复杂三维微通道结构的制造及高稳定纳米流体性能调控等方面还存在诸多问题。深入研究相关制造工艺技术和传热传质机理,将有利于进一步拓展微通道散热技术在高密度集成微系统热管控领域的实际应用。

01 引言

高密度集成封装是电子器件和微系统性能提高、尺寸减小并实现多功能化等的重要途径。然而,集成度越来越高的同时,器件和微系统的散热面积变小、热流密度越来越高、热量更加集中的问题也随之变得突出。例如刀片式服务器 CPU 的峰值热流密度为80~200 W/cm2,大功率激光器和微波器件工作时的热流密度可达 1000 W/cm2。电子产品的热流密度过大,将导致温度的急剧上升。

研究发现,电子元器件的可靠性对温度十分敏感。当电子元器件的工作温度达到 70~80℃ 后,温度每上升 1℃,其可靠性就会降低 5%。超过 55% 的电子设备失效的主要原因是温度过高。对于 Si 基器件而言,其最高工作结温为175℃。而要保证器件安全工作,民用级芯片的最高工作温度不能超过 70℃、工业级芯片不能超过 85℃、军用级则必须低于 128℃。温度过高时,高密度集成微系统将主要发生热失效。

张大霖等人对 5G 车载网联控制器进行仿真分析,发现当工作温度达到 65℃ 时就必须对控制器进行有效散热,否则就将面临较大的热失效风险。此外,过高的温度还会导致系统内热应力增加,对芯片造成损害。例如采用 FCOL 封装时(如图 1 所示),以铜做引线框架,铜的热膨胀系数为 16.4×10-6/K,Si 为2.49×10-6/K。

图 1 FCOL 封装过程

在大的热载荷作用下,由于两者热膨胀系数差异大,将产生较大的热应力,最终导致芯片产生裂纹、甚至完全失效。因此,如果不能进行有效散热,热量无法及时排出,将是高密度集成微系统失效的主要原因。为了更好的发挥高密度集成微系统的功能、提高其可靠性,对高密度集成微系统进行高效散热至关重要。

1.1 热量的传递方式

散热通过热量传递来实现,而热量的传递方式主要有三种:热传导、热对流和热辐射。热传导是热量从物体内部温度较高的部分传递到温度较低的部分或者传递到与之相接触的温度较低的另一个物体的过程,其本质是微观粒子的热运动,物质之间没有宏观位移和其他形式能量的转化。傅里叶定律是描述其热传递规律的方程,表达式为

(1)

式中的负号表示热量传导的方向与温度梯度相反,Φ是热传导通量(W),k 是导热系数(W/m·K),A 是垂直于导热方向的截面积(m2),∂t/∂x为温度梯度(K/m)。

热对流是流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程。对流传热包括自然对流和强制对流。流体中的温差造成密度的差别从而产生自然对流,而强迫对流则是用机械能使流体发生对流而传递热量。当流动的气体或液体与固体壁面接触,且流体与固体之间存在温差时,相互之间将发生热量传递,这一过程称为对流传热。对流传热是热对流以及流体、固体中热传导过程综合作用的结果,可以用牛顿冷却公式来描述

(2)

式中,Φ 是对流传热量(W),h 是表面对流传热系数(W/m2·K),A 是壁面的有效对流换热面积(m2),tw为固体表面的温度(℃),tf为冷却液的温度。

热辐射是物体受热引起内部原子激发,将热能转变为辐射能并以电磁波形式向周围发射的过程。辐射出的电磁波遇到另一个能吸收该辐射能的物体时,辐射能将部分或全部被吸收又重新变为热能。辐射传热不需要任何介质作媒介,可在真空中传播。任何物体只要温度高于 0 K,就会不断向周围空间进行热辐射,但热辐射量与物体温度的四次方呈正比

(3)

式中,A为辐射面积,T为辐射体的热力学温度,σ为玻尔兹曼常数。对于电子器件/系统而言,其工作温度低于 128℃,热辐射量很低,热量的耗散将主要通过热传导和热对流实现。

1.2 传统电子器件散热方法

采用传统方式封装的电子器件/系统通常采用外置热沉作为散热器。从芯片到散热器的热传导以及从散热器到周围环境的对流传热为主要的热量传输方式。按散热器带走热量的方式进行分类,电子器件的散热可以分为主动散热以及被动散热。主动散热包括强迫风冷散热以及强迫液冷散热等方式;被动散热包括自然对流以及相变冷却等方式。

1.2.1 自然对流散热

自然对流散热技术是以空气为传热介质,通过散热器翅片周围空气的流动带走热量,是目前大部分低功耗电子器件采用的散热方式。它的优势在于结构简单且运行可靠,自然对流散热适用于热流密度<10 W/cm2 的情形,而在高热流密度场合它的应用具有局限性。

1.2.2 强迫风冷散热

为了提高散热能力,可以使用强迫风冷散热。其与自然对流散热的区别在于它是使用风扇提供动力,迫使空气流动。这样空气的流动速度可以大幅度提高,使散热能力增强。强迫风冷散热的散热能力约为自然对流散热的 5~10 倍。虽然它的散热能力远远强于自然对流散热,但仍然有限,不能满足高密度集成微系统的需求。

1.2.3 强迫液冷散热

常温下,空气的导热系数为 0.0267 W/(m·K),水的导热系数约为空气的 23 倍,导热油的导热系数约为空气的 9.5 倍。为了进一步增强散热能力,可以使用外置的强迫液冷散热器,它的结构如图 2 所示,在散热结构中,热源产生的热量以导热的方式传递给液冷板,然后通过对流传热的方式传递给冷液。冷液受热后,在泵的作用下传输到换热器上进一步散热。

图2 强迫液冷散热典型结构

采用强迫液冷散热,散热效果明显优于强迫风冷散热。如果选用导热系数更高的液体还可以进一步增强散热能力。相比于水,液态金属的换热性能极其优异,例如镓的热导率约为水的 60 倍。因此,在同等情况下,使用液态金属镓作为冷液可以显著提高热量输运能力。

但是强迫液冷散热也存在很多问题。首先它对液体管路的可靠性要求较高,此外强迫液冷散热结构复杂,且系统的体积和重量也明显大于风冷散热,并不适用于高密度封装的电子器件。

1.2.4 相变散热

利用材料相变的原理进行散热称为相变散热,它可以分为直接相变散热和间接相变散热。直接相变散热是指将元器件直接浸没于散热介质之中;间接散热是指元器件和散热介质不直接接触。例如,热管散热就是一种利用液体相变的相变散热方法,它的典型结构如图 3 所示。

图 3 重力热管典型结构.png

图 3 重力热管典型结构

首先液体在底部的高温侧吸收热量,然后液体汽化为蒸汽并到达顶部低温侧,通过管壁将热量散出;蒸汽重新液化为液体,在重力作用下又回到高温侧,散热过程不断重复该循环。热管散热是目前笔记本电脑的主流散热技术,但是它的散热热流密度一般为 10~100 W/cm2,传统热管在高密度集成微系统上的应用显然是受到限制的。

虽然风冷、液冷、相变散热等传统的散热技术可以解决微电子领域很多的散热问题,但是这些传统的散热方式都有一定的适用范围。图 4 和表 1 分别对比了不同散热方式适用的热流密度范围及它们各自的优缺点。随着电子设备向小型化、大功率、高集成化方向发展,电子器件的发热功率也在不断增加,传统的散热技术难以满足相应的热耗散需求,必须寻求更高效的散热技术来加以应对。

图 4 不同散热方式对应的热流密度范围.png

图 4 不同散热方式对应的热流密度范围

表 1 不同散热方式对比

表 1 不同散热方式对比.png

02 微通道热沉散热

随着集成度越来越高,电子器件/系统的平均热流密度将达到 500 W/cm2,封装体中局部位置的热流密度甚至将高达 1000 W/cm2 以上。传统风冷散热热流密度仅为 1 W/cm2,传统液冷散热的热流密度也不超过 200 W/cm2。

为了满足高密度集成微系统的散热需求,Tuckerman 和 Pease 在 1981 年首次提出了微通道热沉冷却技术。微通道热沉的基本结构如图 5所示。

图 5 微通道热沉基本结构

Tuckerman 和 Pease 采用湿法腐蚀工艺直接在Si 基板上刻蚀出宽 50 µm、深 300 µm 的多条平行微通道,之后在微通道中通入水作为冷却介质,通过冷却介质的强制对流达到高效散热目的。散热热流密度可达 790 W/cm2。此时,基底相对于环境的温升不超过 71℃,整体散热基板的热阻也低于 0.09℃/W。微通道热沉散热不仅可以实现很高的散热能力,还可以实现散热器与芯片的集成封装制造。

图 6 各类散热技术对应的传热系数对比.png

图 6 各类散热技术对应的传热系数对比

与其他散热方式进行比较,冷却介质在微通道中流动散热能够达到更高的传热系数(如图 6 所示)。而且,将微通道散热器直接制作在芯片基板内部,可以保证芯片热源到冷却介质的传热路径尽可能短,器件体积尽可能小,且散热器制造工艺与传统基板制造工艺兼容,适合高密度集成微系统应用,能够在提高封装体功能密度的同时降低成本。因此,微通道热沉散热技术在高密度集成微系统中有着巨大的应用前景。

03 微通道热沉散热能力及增强方法

3.1 微通道散热能力的表征

微通道散热能力可以通过表面对流传热系数、努塞尔数以及散热过程中单位面积能达到的最大热流密度和综合散热性能系数等来进行表征。冷却介质和微通道壁面的热量传输是典型的对流换热过程,该过程可以通过公式 (4) 来描述。公式(4) 中,对流传热系数 h 是控制和描述该对流换热过程的关键。h 可以通过实验进行测量,或者通过数值模拟的方式进行计算,其计算式为

(4)

式中tw和tf分别为微通道壁面与流体的平均温度,q 为热源产生的热流密度。

微通道中对流传热的强烈程度可以用努塞尔数Nu 来描述。Nu 越大,对流传热所占的比重越大。其计算式为

(5)

式中 l 为微通道的特征长度,通常可以取通道的水力直径;λ为冷却介质的导热系数。对微通道内的单相流动进行分析可知,Nu 与流动状态(可通过雷诺数Re来表征)、热量传输与动量传输的相互影响(可通过普朗特数 Pr 来表征)以及微通道的结构和几何尺寸(如通道特征长度 l)等有关。

在实际工程应用中,往往通过基板单位面积上的最大热流密度 q 和综合散热性能系数COP来评判基板内置微通道热沉的散热能力。综合散热性能系数COP定义为流体散热功率Pextract与相应用于驱动微通道内流体流动所需的泵功率Ppump的比值

(6)

对于内置有微通道散热器的基板而言,影响其散热功率的主要因素是基板的热阻 R

(7)

式中 Tt和Tb分别为沿传热路径方向基板上表面和下表面的温度。而泵功率则主要由微通道的流阻来决定。热阻和流阻都很小的微流道散热器,其综合散热性能高,而流阻和热阻都取决于微通道结构和几何尺寸。

3.2 微通道结构对传热传质的影响

微通道结构对微通道散热器的传热和传质过程都有极大的影响。对微通道结构进行设计和优化需要考虑其拓扑结构、截面形状/尺寸及层数等多方面的特征。

3.2.1 微通道拓扑结构设计

微通道拓扑结构主要分为两类。其中一类是以经典的平行直微通道为基础逐渐发展起来的,这类微通道可以具有不同的延伸方式,如图 7 所示,包括平直型、蛇形、螺旋型等。

图 7 不同形状的微通道结构.png

图 7 不同形状的微通道结构

另一类是以自然界为模板设计的仿生拓扑结构,例如仿叶脉微通道拓扑结构、仿蜘蛛网微通道拓扑结构、仿河流网络微通道以及仿蜂窝微通道等。它们的结构如图 8 所示,通过数值分析的方法对不同的仿生拓扑结构进行分析,其热仿真结果如表 2 所示。

图 8 具有仿生拓扑结构的微通道.png

图 8 具有仿生拓扑结构的微通道

除仿河流网络微通道结构外,其他仿生拓扑结构与普通的平直微通道相比,散热能力更强。同时,芯片发热功率为 5 W 时,蜘蛛网型仿生拓扑结构与矩形平直拓扑结构相比,对应基板的最高温度低 1.1℃;而当发热功率为 40 W 时,蜘蛛网型仿生拓扑结构微通道基板的最高温度比矩形平直拓扑结构微通道基板低 7.9℃。

表 2 不同拓扑结构微通道的热仿真结果

表 2 不同拓扑结构微通道的热仿真结果.png

具有不同仿生拓扑结构的微通道散热器散热能力存在明显差异。因此,用于高密度集成微系统时,必须针对实际情况对微通道拓扑结构进行优化设计。

3.2.2 微通道截面形状与尺寸对传热传质的影响

通常微通道截面形状为矩形。有很多学者对矩形微通道进行了研究,通过建立矩形微通道的热阻模型,对不同流动状态下矩形微通道的热阻特性进行研究。由结果可知,矩形微通道高宽比和其整体热阻呈反向相关的关系,通道的高宽比越大,其整体热阻越小。 

进一步通过数值仿真的方法考察矩形微通道的对流传热能力,发现微通道的高宽比越大,则微通道内工质的轴向传热能力越强。在矩形微通道的基础上,对截面为梯形的硅微通道进行研究发现当通道水力直径在 51~169 µm范围内时,沿流体流动方向,通道内的压力梯度与摩擦系数均高于经典层流理论下的预测值。该研究还发现相同截面形状的通道,微尺度下的流动阻力大于常规尺度下的流动阻力。

对截面形状分别为矩形、三角形以及梯形的微通道进行比较,冷却介质流动的雷诺数 Re 在 100~1000 之间,水力直径接近的情况下,矩形微通道的换热系数最高,三角形微通道的换热系数最低。此外,不同截面形状的微通道在某些方面具有相似的规律,例如对截面形状为矩形、三角形以及梯形的微通道而言,在横截面积相等时,水力直径小且高宽比大的微通道热沉通常具有较小的热阻和较大的压降。

3.2.3 微流道层数对散热性能的影响

除传统的单层微流道结构外,一些微通道散热器包含两层甚至多层微流道。Vafai 等人比较了双层与单层微通道的热阻,发现双层微通道热沉比单层微通道热沉具有更好的换热效果。

对内部结构分别为矩形微通道、单层波纹型微通道和多层波纹型微通道的三种微通道热沉进行比较,可以发现在体积流率一定的情况下,单波纹型微通道的热阻比直通道低;在同等情况下,双层波纹型微通道热沉的热阻以及流动压降都要小于单层波纹型微通道热沉。通过结构优化,改进后的双层波纹型微通道热沉的散热效果比普通的平直矩形微通道要好。

此外,在这些双层微通道的基础上,建立了一种新型双层交错三角形凹穴微通道热沉,与传统的矩形微通道相比较,其 Nu 和摩擦因子 f 都高于传统矩形直通道。其中 Nu 的提升可以表明,双层交错三角形凹穴微通道起到了良好的强化传热效果。f 的提升则是由于通道壁面凹穴的存在,使通道内产生了二次流,增大了主流流体的流动阻力。

结合上述研究可知,合理设计多层流道可以有效增强对流传热,提升微通道散热器的 Nu。此外,多层流道与单层相比,可以分别控制各层的流动方向和流动状态,并调整微流道各部分之间流体的分配,可以更好地适应高密度集成微系统中存在多个分散热源的散热需求。

3.2.4 微通道结构优化

随着高密度集成微系统的发展,人们需要不断提高微通道的散热能力,而对其结构进行优化设计是显著提升散热能力的有效手段。对结构进行优化的原则是尽可能用最小的代价去获得最优异的散热性能。优化设计的评估准则主要包括热阻、换热系数、Nu以及泵功率等。

微通道结构的优化设计通常利用数值模拟实现。由于在使用软件进行数值模拟时。对于复杂的结构往往计算量很大,因此为了提高计算速度,逐步发展出了遗传算法、多目标演算算法、排序遗传算法以及共轭梯度算法等。例如采用简化的共轭梯度法对双层微通道热沉进行优化,将流道的层数以及流道的高宽比作为变量,以整体导热热阻最小化作为目标,在泵功率一定的情况下,热阻可以迅速减小并达到稳定最优值。

通过结构优化增强传热传质过程主要有两种机制,一是利用某些特征结构增强对流动的扰动,二是增大换热面积。能够增强流体扰动的结构有很多,例如采用多层微流道、蛇形/波浪形/折线形微流道以及对微流道横截面进行周期性阔缩等。但这些方法在增强流体的扰动、增强传热能力的同时也往往会使压降增大。

因此,对于这类结构的优化应该重点关注流阻的变化。增大换热面积则主要通过改变通道横截面形状或拓扑结构来实现,例如采用 Ω 型截面通道结构或仿生树形结构等。采用这些结构理论上可以增强温度分布的均匀性或降低流阻,但是这些结构的制造加工往往非常困难。

3.2.5 微通道制造与应用中面临的问题

微通道热沉内置于器件基板中,通常采用常规基板制造工艺来实现。例如,传统平面工艺即可用于制造硅基板中内置的单层微通道,而 LTCC 为代表的基板制造工艺则可用于制造多层陶瓷基板中的单层及多层微通道结构。

但现有工艺用于制造结构复杂的三维多腔体微通道结构时,仍然面临一系列技术难题。首先,空腔的存在降低了基板的机械性能。这将导致加工过程中,局部悬空、转折连接等位置处,容易由于温度和受力不均,产生应力集中,出现裂纹、甚至塌陷。

另外,人们还必须充分考虑到基板材料和宏/微观结构对液体冷却介质的密封能力以及对流体驱动压力的耐受能力。以多层 LTCC 陶瓷基板为例,其制造工艺是一种基于粉末成型烧结的技术方法,基板内将不可避免地存在微纳米尺寸的孔洞。且多层基板表面和内部存在大量金属互连结构,多层瓷片之间的界面以及陶瓷-金属连接界面处都有可能由于界面缺陷或界面异种材料间的热、力性能失配,产生热应力和应力集中,并最终形成裂纹。

这些孔洞和裂纹都将导致液态冷却介质的渗漏,大大降低电子器件/系统的可靠性。如何提高制造过程中基板多材料异种连接界面的连接强度、防止孔洞和裂纹的形核与扩展,是保证微流道热沉散热器正常工作的关键,也是其制造面临的最大挑战。

3.3 冷却介质对微通道热沉散热能力的影响

除微通道结构外,通道内采用何种流体作为冷却介质也会对微流道热沉的散热能力产生很大的影响。目前,微通道热沉冷却介质主要采用空气、液态水、乙二醇以及液态金属等。由表 3 可知,30℃ 下,水的导热系数为 0.62 W/(m·K),高于乙二醇和导热油,更高于空气。它成本低,液态高纯水性质稳定,粘度低,具有较好的导热和流动性能,是最常用的微通道冷却介质。

表 3 常压 30℃ 时传统冷却介质的物理参数对比

表 3 常压 30℃ 时传统冷却介质的物理参数对比.png

然而随着高密度集成微系统的不断发展,散热功率越来越大、而水的沸点低且导热系数有限,难以适应大功率器件/系统的散热需求。为了进一步增强散热能力和应用温度范围,有必要选择性能更为优异的冷却介质。

相比于水,液态金属的导热能力极其优异,以镓为例,其导热系数约为水的 66 倍。在同等情况下,使用液态金属镓作为冷却介质可以显著提高热量输运能力且其沸点高,更适合用于高工作温度下的散热。但是液态金属镓的比热容较小,比水低一个数量级,同时液态金属的价格昂贵,粘度和密度大,使其应用受到较大限制。事实上,表 3所列的冷却介质各有相应的应用温度范围和优势,选用时需要进行综合考量。

自 Maxwell 理论发表以来,研究人员开始在液体中加入固体颗粒,以提高液体的导热系数,从而提高液体的传热能力。加入的固体颗粒粒径不断减小,从毫米到微米,再到纳米。

1995 年,Choi将金属纳米颗粒成功分散于单相冷却液中,所得多相混合液的导热系数大幅度增加,由此也形成了“纳米流体”的概念。纳米流体是由液态连续相与纳米尺度的固态分散相均匀混合形成的多相体系。连续相通常采用纯的水、乙二醇等有机溶剂或液态金属,也可以是上述多种液体互溶形成的混合溶液。而分散相则是金属或金属氧化物、碳等非金属材料的纳米粉体。通过控制连续相和分散相的材料种类、纳米颗粒的尺寸、形貌等,即可调节纳米流体的导热系数、比热容、粘度等性质,从而获得综合性能较优的冷却介质。这使得纳米流体成为热管理领域近年的研究热点之一。

3.3.1 纳米流体的制备

目前,纳米流体的制备方法分为两种,即单步法和两步法。单步法是指在制备纳米粒子的同时直接将纳米粒子分散到基液中得到纳米流体,如通过化学液相法等直接制备纳米流体。单步法制备纳米流体的优势在于制备得到的纳米流体通常分散性好、悬浮稳定性高。这主要是因为制备流程短,避免了额外的工艺过程,从而减少纳米粒子的团聚。

但是,单步法制备纳米流体存在成本高、设备复杂、无法规模化生产等问题,并且此法一般难以控制纳米粒子的尺寸分布和纯度。

两步法是指先制备出纳米材料粉体,再将纳米材料以某种方式分散到基液中得到纳米流体。两步法制备纳米流体设备简单、成本低,同时,它几乎适用于所有纳米流体的制备,如不同基液的 Al2O3、TiO2等纳米流体。两步法最大的问题在于制备所得的纳米流体稳定性一般不及单步法,容易发生团聚、沉降等现象。

3.3.2 纳米流体的稳定性

纳米流体的“稳定性”通常指的是悬浮在其中的纳米颗粒的浓度是否随时间衰减。如果纳米颗粒浓度随时间不断减小,说明纳米流体向普通制冷剂(纳米颗粒浓度为零)的方向不断退化,其强化传热的效果也将逐渐减弱,导致它不能够提供稳定的散热效果。此外,若纳米流体不稳定,颗粒团聚并在微通道壁面沉积,还会造成微通道局部流动阻力增加。如果流体驱动力不足,沉积越来越严重,甚至会导致微通道堵塞。

纳米流体不稳定的原因主要是由于纳米颗粒比表面积大,导致其表面原子比例增多、原子配位不足、纳米颗粒的表面能高,分散在连续相中后,纳米颗粒之间相互碰撞容易结合,进而形成尺寸较大(通常是亚微米甚至微米尺度)的团聚体,降低表面能。

团聚过程加速了颗粒的重力沉降,致使纳米流体无法保持稳定。影响纳米流体稳定性的因素主要有颗粒浓度、颗粒表面状态、分散剂(表面活性剂)、溶液pH 值、工作温度等。

通常两步法制备过程中需要在基液内加入一定浓度的表面活性剂,通过电磁搅拌、超声震荡等方法促使纳米颗粒更好地均匀、稳定分散于基液中,并控制混合液的 pH 值,使纳米流体保持较为稳定的状态。制备过程中增强纳米流体分散均匀性和稳定性的方法如图 9 所示。

图 9 纳米流体两步法制备过程及分散稳定性控制方法.png

图 9 纳米流体两步法制备过程及分散稳定性控制方法

3.3.3 纳米流体稳定性评估方法

目前,评价纳米流体分散稳定性主要通过沉降实验、Zeta 电位测量和紫外可见分光光度测试等方法。沉降实验主要是目测,观察一定时间内重力作用下,纳米粒子在基液中的沉积量。若无明显分层和团聚现象,则可认为纳米流体的稳定性较好。此法简便、直观。

Zeta 电位是表征纳米流体稳定性的重要指标,其绝对值越大,粒子间的静电排斥力越大,稳定性越好。通常认为其绝对值大于 30 mV 时,纳米流体具有较好的稳定性。紫外可见分光光度测试可以获得纳米流体的吸收光谱并确定最大吸收波长处的吸光度值,若吸收光谱和吸光度不随时间变化,则纳米流体的稳定性好。

3.3.4 纳米流体应用的主要问题

纳米流体作为冷却介质在微通道散热领域的应用前景非常巨大,但是就现有的研究而言,纳米流体的实际应用仍然面临两大难题。其中最主要的问题就是纳米流体的稳定性问题,尤其是在微通道内低维空间尺度下,纳米颗粒之间以及纳米颗粒与微通道壁面之间的碰撞频率将大大增加,导致纳米颗粒团聚;且在此条件下纳米流体稳定性对温度也更加敏感,将导致纳米流体稳定性控制更加困难。

此外,纳米流体的导热系数、粘度等物化性质也容易受到纳米颗粒碰撞和团聚的影响,难以准确测量和表征,导致其传热传质特性难以预测和控制。目前,相关文献报道的相关数据存在较大差异。未来研究的重点一方面是实现纳米流体的长期分散稳定并增强传热特性,另一方面则需要通过建立合适的模型,揭示其传热传质机制,从而对其传热传质特性进行较为准确的预测。

04 结束语

与传统的散热技术相比,微通道热沉散热技术直接利用器件基板加工技术将微通道散热器直接制造在基板内,可以方便地实现散热器的集成,且散热路径短、散热能力强,特别适用于高密度集成微系统的热管控。

微流道散热器的传热和传质特性可以通过对流传热系数 h、努塞尔数 Nu 以及综合散热性能系数COP等来表征。微通道的拓扑结构、截面形状/几何尺寸、层数以及微通道中冷却介质的物化性质和分散稳定性都将对传热传质过程产生重要影响。对微通道结构和冷却介质性质进行优化设计是提高微通道散热器综合散热性能的主要手段。

根据近期的报道,单片集成的岐管式微通道散热结构可以水为冷却介质,在 0.57 W/cm2 的的泵浦功率下实现热流密度高达 1700 W/cm2 的散热,平均努塞尔数达到 16,充分展示出微流道散热技术在高密度集成微系统热管理领域的广阔应用前景。

而纳米流体作为一种新兴的散热冷却介质,将有望在现有基础上,进一步增强微通道散热器的传热传质能力。目前,在复杂三维微通道结构及高稳定纳米流体的制备和应用中还存在诸多问题,深入研究相关制造工艺技术和传热传质机制,对于微流道散热技术在高密度集成微系统热管理领域的实际应用至关重要。

作者:杜鹏、周庆忠、郑涵文等

来源:微电子学与计算机

本文标题:用于高密度集成微系统的微通道散热技术研究进展

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