第1章 绪 论
1.1 研究背景及意义
随着工业技术的飞速发展，高功率、高集成度及微型化已经成为电子器件的主要发展趋势之一。在能源动力、航空航天、信息通信、人工智能、微电子技术等高新技术领域，先进设备与器件的热负荷在不断提高，如一些高性能芯片的平均热流密度可达500W/cm2，局部热点的热流密度接近1000W/cm2[1]。若不能及时有效降低器件表面的温度，将会造成器件的工作性能下降、寿命降低，甚至烧毁。据统计，55%以上电子器件的失效是散热问题导致的[2]，且器件的工作环境温度在70～80℃，每增加1℃，可靠性下降5%。因此，高热流密度微电子器件及设备的散热问题至关重要，备受国际学术界及相关工业领域的高度重视。由于其瞬态热流密度高、散热面积小，常规冷却技术已无法满足散热需求，所以开发体积小、重量轻、传热效率高、结构紧凑的微型冷却技术迫在眉睫。
微电子技术的迅猛发展的同时也推动了微尺度流动与传热领域的研究，空间微尺度和时间微尺度条件下的流动与传热问题已经引起传热学界众多研究人员的广泛关注。目前国内外学者正在积极着手研究的微型散热器包括微通道热沉、微射流阵列热沉、微热管均热片、微冷冻机及整合式微冷却器等。其中微通道热沉已经被证实是传热性能*佳且*具应用潜力的冷却方式之一。微通道热沉*早由Tuckerman等[3]在美国斯坦福大学提出，他所描述的冷却热沉的结构是：在集成电路的硅衬底背面用化学方法蚀刻若干矩形沟槽，并与盖板键合形成微通道热沉。器件产生的热量通过连结层传导到热沉，被微通道中流动的冷却液带走而达到对芯片散热的目的。他们设计的基本思想是：在恒定努塞特数(Na)下，传热系数与通道的当量直径成反比，他们关于充分发展层流的分析一直是后来大多数关于微通道热沉分析工作的起点。
进入21世纪以来，随着微加工技术的不断进步，国际学术界和工程技术领域开始着手研究结构更为复杂的微尺度传热技术。随即涌现出众多设计新颖、结构紧凑、具有强化传热微结构、换热能力优异的微型散热器，其中包括截面周期性变化微通道热沉、流线周期性变化微通道热沉、歧管式微通道热沉、微针肋阵列热沉、微射流阵列热沉等。这些微型散热器大多在侧壁面或底面设置微结构，在提高单位表面积散热能力的同时也极大地改善了散热表面温度分布的均匀性。这不仅可以有效地冷却发热器件，还可以降低器件所受的热应力，保证器件的安全性和可靠性。因此，研究微型散热器的强化换热机理，优化设计具有低热阻、结构紧凑、所需冷却液量小、沿流动方向温度分布均匀的微型散热器，对于优化微电子器件的热管理具有十分重要的意义。
1.2 微型散热器换热技术的发展
1.2.1 微通道定义
研究发现，当微通道尺寸减小到一定程度后，流体的某些流动和换热特性与常规尺寸的通道相比有较大变化，即出现了微尺度效应。在微通道内的充分发展段，摩擦系数与雷诺数的乘积不再是常数，努塞特数也不再是常数；层流向紊流过渡的雷诺数减小。因此，对通道尺寸的划分十分重要。一般采用当量直径来划分，比较公认的是由Mehendal等[4]和Kandlikar[5]根据非圆形通道的当量直径Dh提出的微通道(microchannels)、小通道(minichannels)和常规通道(macrochannels)的尺寸界限，如表1-1所示。
表1-1 微通道、小通道和常规通道的分类
1.2.2 微结构
由于微通道的当量直径较小，流动阻力较大，应用中流动一般处于层流区域。为了进一步强化换热能力，通过对微通道结构进行优化设计，增大对流换热面积和增强流体扰动是一种非常有效的方法。早期由于加工技术的限制，微通道结构设计主要集中在传统等截面微通道方面，如图1-1所示，包括矩形截面微通道、三角形截面微通道、圆形截面微通道等[6]，其主要通过增大对流换热面积和减小当量直径实现强化换热。由于电子元器件的热流密度较高，微通道内流体沿流动方向的温度急剧升高，引起了通道尾部换热性能的恶化。学者们提出，在通道尾部进行加密[7-9]，减小尾部通道的当量直径、增大对流换热面积，从而增强通道尾部的换热效果。研究发现[10]多级分支型微通道的分级数越大，换热性能越好，强化换热因子*高可达到1.78，但压降却增大了10倍；相同泵功下，一级分支型的热阻*小。
图1-1 不同形状的等截面微通道
随着微电子技术和微加工技术的发展，复杂结构微通道的精密加工得以实现。基于增强微通道内流体的扰动、中断和再发展边界层、增强流体混合强化对流换热等机理，研究者提出了一系列的复杂微结构，其中包括各种形状的微针肋和壁面复杂的微通道结构。对于微针肋结构，流体沿垂直于微针肋轴线的方向横向掠过微针肋，产生绕流、回流、旋涡和涡束，进而影响换热效果。在低雷诺数下，微针肋尾部易形成回流或滞止区，这会恶化对流换热。为了强化微针肋尾部的对流换热，研究人员对微针肋结构及布局进行了优化，如图1-2所示为圆形微针肋[11]、
图1-2 不同形状及布局微针肋结构
水滴形微针肋[12]、错位布置的方形微针肋[13]、布置于通道尾部的微针肋[14]。通过微针肋结构的优化设计削弱了针肋尾部的回流，促进其对流换热，提高了温度分布的均匀性。但是，微针肋在迎流方向上再发展流动边界层及尾部的回流，仍会带来较大的流动阻力。
相对于微针肋结构，有些复杂结构微通道的流阻增幅相对较小，甚至通过合理设计可以使其在强化对流换热的同时减小流阻增幅。近年来，关于复杂结构微通道的研究主要从改变流体流动方向、增大对流换热面积、增强流体扰动等方面开展。如图1-3所示为两种改变流体流动方向的等截面微通道，图1-3(a)为横截面为矩形的波纹形微通道[15]，图1-3(b)为横截面为半圆形的锯齿形微通道[16]。相对于传统的矩形微通道，其通过改变流体的流动方向，增大了对流换热面积，增强了流体扰动，但同时带来了流阻的增大。然而，由于微电子器件通常为规则结构，因此等截面的波纹形或锯齿形微通道区域必须大于微电子器件的散热面积，这样才能保证其整体有效的散热，这无形中又增加了散热器的尺寸。在传统矩形微通道结构上进行改进的复杂结构微通道可以避免这一问题，如采用如图1-4所示的扩缩微通道[17]、周期性变截面微通道[18-24]等。作者所在课题组对周期性变截面微通道进行了系统和深入的研究，通过在通道侧壁设置微结构，设计出了一系列周期性变截面微通道，包括扇形凹穴形[20]、三角凹穴形[21]、凹穴针肋组合型[22]、锯齿形[23]及横断扰流型[24]等。其强化换热机理主要归因于周期性变截面微通道可以周期性地中断和再发展边界层，从而增强流体扰动，促进通道内流体的混合，同时也增大了对流换热面积。
图1-3 等截面复杂微通道
图1-4 变横截面复杂微通道
相对于单层通道结构，增加通道层数可进一步增强换热效果，研究发现双层微通道热阻减小得*明显；随着散热器层数的进一步增加，换热能力有所增强，但增幅逐渐减小，同时还会带来较大的流阻。文献[25]～[27]分别对双层矩形微通道结构的参数进行了优化。目前对复杂结构双层微通道的研究还比较少，如流体逆流的双层梯形微通道[28]、流体顺流的锯齿形微通道[29]，其换热特性均得到了提升。
1.2.3 微型散热器结构的优化设计
在给定热源及冷却工质的条件下，强化换热手段除前面提到的微结构形式和尺寸优化外，微型散热器内的流体分配也是一个非常重要的影响因素。流体分配的均匀性直接影响着被冷却器件表面的温度分布。若流体分配不均匀则极容易导致局部过热，这将会影响被冷却器件的可靠性及寿命，甚至导致器件失效。同时，在微电子集成系统散热的背景下，热源一般由多发热模块组成。因此，研究微型散热器内的流体分配和热源布局对整体散热性能的影响至关重要。
1. 流体分配
微型散热器内流体分配的均匀性主要受散热器的进出口布局、进出口槽道形状及尺寸等因素的影响。Chein等[30]发现在给定压降、通道布局及矩形入口槽道时，相对于工质水平进出方式的N形、S形和D形，以垂直进出方式的U形和V形进出口布局方式的流体分配比较均匀，整体换热性能较好(图1-5)。Jones等[31]对进出口设在两侧中间位置、流体垂直进出的并联微通道的进出口槽道进行了尺寸优化，并采用粒子图像测速仪(PIV)对流场进行可视化测试，发现矩形进出口槽道的流体分配均匀性更好。Kumaran等[32，33]研究了进出口方式和槽道的共同影响，发现采用垂直同侧的C形进出方式、三角形入口槽道、梯形出口槽道、较小的槽道宽度和适中的槽道深度可获得更加均匀的流体分配，且认为分配的不均匀性主要归因于流体的分流和回流。Cho等[34]研究了进出口槽道与通道结构对流体分配的影响，如图1-6所示，研究发现梯形槽道与楔形微通道组合的流体分配更为均匀，压降和*高温度均有所降低。Liu等[35]在通道入口处加不同大小的肋来平衡各通道间的流量分配，发现中间区域通道布置较大的肋结构可提高流体和温度分布的均匀性，但会带来一定的压力损失，且随流量的增大，流体分配的不均匀性增加。Eun等[36]针对非均匀热源，通过改变微通道热沉的结构来调整流体分配，进而优化整体的散热性能。Vinodhan等[37]提出将微通道热沉分成几个独立的区域以提高流体分配的均匀性，结果表明将微通道热沉分成4个独立的区域，其热阻减小了50%，温度梯度降低了30%。多入口槽道的微通道热沉，传热系数可提高28%[38]。Mu等[39]发现采用圆形树枝形流体进出口方式，流体分配的均匀性更好，且温度的不均匀性随微通道高宽比的增加而减小。作者所在课题组[40]对复杂结构微型散热器流体进出口方式和进出口槽道的形状尺寸进行了研究，发现将进出口设在散热器两侧中间位置、流体垂直进出口*为理想；相比于三角形和梯形槽道，采用矩形进出口槽道可以获得较好的流体分配均匀性。
图1-5 微通道热沉进出口布局[30]
图1-6 微通道热沉进出口的布局方式[34]
2. 热源布局
在进行电子芯片的设计时，也应平衡各模块间的功耗密度，尽量避免局部热点的产生，
展开
