李兵強(qiáng)

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所）

引言

隨著芯片向小型化、集成化、高速化發(fā)展，芯片熱流密度越來越大，芯片性能的有效發(fā)揮和進(jìn)一步提高受到散熱瓶頸的制約。微通道液冷技術(shù)被認(rèn)為是解決高熱流密度芯片散熱問題的有效方式。微通道冷板的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 微通道冷板結(jié)構(gòu)原理圖

自上世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)外學(xué)者已對(duì)微通道液冷作了許多研究。Xu[1]對(duì)水力學(xué)直徑為30到344微米的微通道，在Re數(shù)為20到4000范圍內(nèi)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明基于連續(xù)流體假設(shè)的N-S方程仍然成立。Zeighami等[2]研究了深為150微米、寬為100微米的微通道的轉(zhuǎn)捩點(diǎn)約為Re=1600，研究表明，對(duì)于微通道而言，層流變湍流的轉(zhuǎn)捩點(diǎn)提前了。

揭貴生等[3]從理論上對(duì)矩形截面微通道的結(jié)構(gòu)參數(shù)與散熱熱阻的關(guān)系進(jìn)行了推導(dǎo)，據(jù)此可對(duì)各通道參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇。徐德好[4]應(yīng)用Flotherml軟件對(duì)系列尺寸的矩形微通道冷板進(jìn)行仿真分析并驗(yàn)證，獲得了冷板換熱性能與流道結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系。

綜上所述，學(xué)界目前普遍認(rèn)為在不涉及相變時(shí)，連續(xù)介質(zhì)假設(shè)成立，N-S方程和傅立葉導(dǎo)熱定律對(duì)微通道內(nèi)的層流液體流動(dòng)仍具有適用性。因此，基于N-S方程的CFD軟件CFX可用于對(duì)微通道換熱進(jìn)行仿真分析。

本文在AWB14.0平臺(tái)下建立矩形微通道冷板的仿真模型，應(yīng)用CFX分析微通道各參數(shù)對(duì)換熱性能的影響。

1 仿真模型的建立

本文利用NX7.5建立冷板的三維模型。典型結(jié)構(gòu)參數(shù)為流道寬度D=0.5mm，深度H=2mm，間距T=1mm，流動(dòng)方向長度L=30mm，流道數(shù)目16。芯片長×寬×高=30×16×2.5(mm)。冷板出、入水口直徑均為4mm。芯片材料為硅，冷板基體為Al5A06，冷卻介質(zhì)為水。結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入AWB后，在滿足網(wǎng)格無關(guān)性，且兼顧網(wǎng)格總量的前提下劃分網(wǎng)格（流體邊界層為4層）。最終建立的仿真模型如圖2示。

圖2 冷板仿真模型

仿真計(jì)算中對(duì)模型作如下假設(shè)和簡化：

( 1) 流體為常物性,且為定常流動(dòng)；

( 2)忽略輻射和空氣自然對(duì)流散熱；

邊界條件設(shè)置如下：

( 1) 芯片和冷板的接觸面為固固傳熱，流體和冷板的接觸面為流固傳熱；

( 2) 熱源和冷板的外壁面為絕熱面；

( 3) 流體入口設(shè)為速度入口（1m/s），25℃，出口設(shè)為壓力出口（大氣壓）；

( 4) 芯片作為體熱源（折合面熱密度為50W/cm2）

2 仿真結(jié)果分析

由文獻(xiàn)[3]的理論分析可知，在冷板外形尺寸一定的前提下，換熱性能的影響因素主要有流量、流道深度、流道寬度、流道數(shù)目等。對(duì)微通道的換熱性能按換熱系數(shù)h1和換熱效率k評(píng)價(jià)，其定義為

式中：Q——熱源的發(fā)熱量 (W)

Asource——熱源和冷板接觸面積 (m2)

Twc——熱源表面平均溫度( ℃)

Tave——為進(jìn)出口冷卻液平均溫度 (℃)

qL——冷板流量 (m3/s)

△P——進(jìn)出口壓力損失 (Pa)

h1直接影響芯片的結(jié)溫，結(jié)溫的高低對(duì)其使用壽命影響很大，且一般都有結(jié)溫限制。k為換熱系數(shù)與消耗的泵源能量之比，表征冷板的換熱效率。

2.1 入口流速對(duì)冷板性能的影響

冷板結(jié)構(gòu)尺寸如1所述不變，入口流速取不同值，并保證流道內(nèi)Re＜1600，即符合層流狀態(tài)（后面各例同理）。換熱系數(shù)h1和效率k與入口流速關(guān)系如圖3示

換熱系數(shù)隨入口流速增大而增大，但增速趨緩；由于壓力損失急劇增加，導(dǎo)致效率隨流速增大而急劇減小。因此在選擇流量時(shí)應(yīng)綜合考慮。在滿足散熱需求的前提下選擇小的流量較為合適。

2.2 流道深度對(duì)冷板性能的影響

換熱系數(shù)h1和效率k與流道深度H的關(guān)系如圖4示。

換熱系數(shù)隨流道深度增大而先增大，后減小，存在極大值，在深度為3mm附近；效率k隨深度增大而增大，但增速趨緩。因此，流道深度的選擇需要綜合考慮。由于從極值點(diǎn)再增大深度換熱效率提高并不明顯，反而犧牲了換熱系數(shù)，筆者認(rèn)為取換熱系數(shù)最大的深度較為合適。

2.3 流道寬度對(duì)冷板性能的影響

換熱系數(shù)h1和效率k與流道寬度的關(guān)系如圖5示。

換熱系數(shù)隨流道寬度增大而減小，效率隨寬度增大而增大，均趨緩。因此，流道寬度的選擇需要評(píng)判換熱系數(shù)和效率的重要性，綜合考慮。

2.4 流道數(shù)目對(duì)冷板性能的影響

換熱系數(shù)h1和效率k與流道數(shù)目的關(guān)系如圖6示。

換熱系數(shù)和效率均隨流道數(shù)目增大（周期T減?。┒龃?，均趨緩。因此，在不顯著增加加工難度的前提下，增大流道數(shù)目可以有效提高冷板換熱系數(shù)和效率。

3 結(jié)論

（1）本文分析了流量，流道高度、寬度、數(shù)目對(duì)矩形截面微通道冷板性能的影響，得到了換熱系數(shù)和效率隨各參數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)果對(duì)于該類型冷板的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

（2）本文應(yīng)用CFX仿真分析的結(jié)果與文獻(xiàn)[4]的相關(guān)結(jié)論一致，從而對(duì)于更為復(fù)雜的無法理論分析的微通道冷板模型，CFX仿真分析方法具有很好的應(yīng)用前景。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Xu,B.,Ooi,K.T.,and Wong,N.T.,2000, Experimental Investigation of Flow Friction for Liquid Flow in Microchannels，International Communications in Heat and MassTransfer, 27,pp.1165-1176.

[2]Zeighami,R.,Laser,D.,Zhou,P.,Asheghi,M.,Devasenathipathy,S.,Kenny, and Goodson, K.,2000,Experimental Investigation of Flow Transition in Micro-channel Using Micro-resolution Particle Image Velocimetry,Proceedings of ITHERM 2000,Volume II,pp.148-153

[3]揭貴生，大容量電力電子裝置中板式水冷散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]，機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010年1月，第46卷第2期

[4]徐德好. 微通道液冷冷板設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].電子機(jī)械工程，2006（2）：14-18