張 亮

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

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基于聲表面波的液冷微通道設(shè)計(jì)研究

張 亮

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

在傳統(tǒng)常規(guī)冷板的理論研究基礎(chǔ)上，為解決微小元器件散熱，設(shè)計(jì)了以聲表面波為輔助的微米級(jí)微通道，并利用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制作了微通道與聲表面波叉指換能器集成的微型結(jié)構(gòu)，對(duì)聲表面波破壞液體層流結(jié)構(gòu)、加速液體混合的功能進(jìn)行了驗(yàn)證。

微通道；微機(jī)電系統(tǒng)；聲表面波；湍流

0 引 言

對(duì)于電子設(shè)備的散熱，目前常用的強(qiáng)迫冷卻技術(shù)主要有風(fēng)冷和液冷，通常在熱流密度超過(guò)一定范圍后，風(fēng)冷已很難奏效，難以滿足總體要求。傳統(tǒng)液冷系統(tǒng)依靠提高通道內(nèi)液體的流速使冷卻液達(dá)到紊流狀態(tài)來(lái)強(qiáng)化傳熱，然而流速增大的同時(shí)也會(huì)帶來(lái)流體阻力及泵功率消耗的增大?？傊?，隨著電子器件熱流密度的不斷提高，傳統(tǒng)液冷技術(shù)也面臨更高的散熱要求和更復(fù)雜的設(shè)計(jì)加工過(guò)程[1]。

1 理論研究

目前工程中應(yīng)用的液冷冷板，流道寬度多為毫米級(jí)，主要以設(shè)備級(jí)、模塊級(jí)冷卻為主，即將設(shè)備或模塊與機(jī)架的安裝面或貼合面作為冷板，以傳導(dǎo)方式將設(shè)備的熱耗通過(guò)冷板快速導(dǎo)出，如圖1所示。

但是，在射頻、微波電路中，尤其是高頻微波電路中，一些體積微小的高熱耗單元、組件，熱耗無(wú)法及時(shí)由設(shè)備殼體及冷板導(dǎo)出，局部工作溫度過(guò)高，從而導(dǎo)致整個(gè)模塊的工作性能下降乃至失效,而且由于高熱器件局部安裝環(huán)境復(fù)雜，常規(guī)的冷板設(shè)計(jì)與加工方法也難以對(duì)其實(shí)現(xiàn)覆蓋。因此，本文以微小元器件工作散熱問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種可以用于元器件級(jí)散熱的微米級(jí)微通道。

微通道通常指當(dāng)量直徑在10 μm～1 mm的流道,其換熱機(jī)理和常規(guī)換熱器不同。1981年，2位美國(guó)學(xué)者Tuckerman和Pease開(kāi)始最早的微通道散熱研究，他們采用精密化學(xué)腐蝕法，在硅芯片基板上加工出槽寬和壁厚均為50 μm、深300 μm的平行多路液冷通道。之后，國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者研究其結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)流動(dòng)和換熱的影響。人們發(fā)現(xiàn)，通道越窄，流道的熱阻就越小，相同壓降下微通道冷板的換熱性能比常規(guī)冷板高很多。

一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)量直徑在10 μm～1 mm范圍內(nèi)的微通道結(jié)構(gòu)，連續(xù)介質(zhì)假設(shè)成立，N-S方程(粘性不可壓縮流體動(dòng)量守恒運(yùn)動(dòng)方程)仍然適用。典型的矩形多通道冷板結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由傳熱學(xué)理論，有以下定義[2]：

通道當(dāng)量(水力)直徑:

Dh=2bcD/(bc+D)

(1)

通道流動(dòng)雷諾數(shù):

(2)

壓力損失:

(3)

換熱系數(shù):

(4)

式中：ρ為流體密度；γ為流體運(yùn)動(dòng)粘度；λf為流體導(dǎo)熱系數(shù)；f為阻力系數(shù)；Nu為努塞爾數(shù)；λfin為冷板基體材料導(dǎo)熱系數(shù)。

和常規(guī)通道不同的是，微通道沒(méi)有一個(gè)確定的轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)，一般根據(jù)某個(gè)參數(shù)的突變來(lái)確定層流與湍流的分界。根據(jù)以上公式及相關(guān)的文獻(xiàn)，可得出以下結(jié)論：

(1) 微通道的換熱性能同通道寬度密切相關(guān)，寬度越小，換熱系數(shù)越大[3]；

(2) 微通道中，由于尺度效應(yīng)的影響，流體的轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)提前到1 000～1 100 之間，當(dāng)Re大于2 500時(shí)，微通道內(nèi)達(dá)到湍流[4]。而湍流狀態(tài)下，通道的換熱性能將大大增加；

(3) 不計(jì)冷板體積影響，微通道冷板中槽道的高寬比越大，換熱性能越好；

(4) 微通道當(dāng)量直徑越小，阻力系數(shù)越小，平均對(duì)流換熱系數(shù)越大，即在相同面積上做多個(gè)微通道比一個(gè)大通道的換熱效果好[5]。

綜上所述，微矩形通道的設(shè)計(jì)，應(yīng)從當(dāng)量直徑小、雷諾數(shù)大、流道寬度小3個(gè)方面考慮，進(jìn)行微矩形通道的設(shè)計(jì)工作。

2 方案設(shè)計(jì)

本文研究的微米級(jí)液冷通道設(shè)計(jì)，屬于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)范疇。MEMS主要包括微型結(jié)構(gòu)、微型傳感器，微型執(zhí)行器和相應(yīng)的處理電路等的設(shè)計(jì)與研制，器件的整體幾何空間多為厘米級(jí)，可以很好地與設(shè)備模塊中的微型元器件耦合。

常規(guī)冷板的流道寬度約為1 mm，基于加工難度及流道特性差異綜合考慮，本文設(shè)計(jì)4種微通道，流道寬度在常規(guī)冷板的基礎(chǔ)上，降低數(shù)量級(jí)，選擇寬度分別為80 μm、100 μm、120 μm、200 μm的通道。冷卻介質(zhì)由入口進(jìn)入流道時(shí)，處于層流狀態(tài)。由上文分析，微通道中的液體在湍流狀態(tài)下的換熱性能最好。而微通道環(huán)境下，流體的傳質(zhì)主要靠擴(kuò)散作用。擴(kuò)散是物質(zhì)通過(guò)分子運(yùn)動(dòng)而自發(fā)產(chǎn)生的輸運(yùn)過(guò)程。通常粒子擴(kuò)散一定距離ω所需要的時(shí)間t為：

(5)

式中：t為擴(kuò)散時(shí)間；ω為擴(kuò)散距離；D為分子擴(kuò)散系數(shù)，其取值范圍一般為10-9～10-11m2/s。

由式(5)可知，當(dāng)流體完全混合、達(dá)到湍流狀態(tài)所需的距離l為：

(6)

根據(jù)式(6)可以初步估計(jì)出在微通道中流體完全混合所需要的長(zhǎng)度。例如，當(dāng)液體流速為0.1 m/s時(shí)，采用流道寬度為200 μm，即混合距離ω=100 μm，分子(以水分子H2O為對(duì)象)擴(kuò)散系數(shù)取值D=10-9m2/s，計(jì)算可得混合所需通道長(zhǎng)度為1 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于微通道甚至模塊、設(shè)備的實(shí)際空間，即冷卻液進(jìn)入微通道后，在短距離內(nèi)幾乎都處于層流狀態(tài)，不利于換熱系數(shù)的提高。

要使流體在微通道中保持湍流狀態(tài)，必須在通道徑向方向增加作用于流體的慣性力，破壞流體的層流結(jié)構(gòu)、增大擾動(dòng)。在設(shè)計(jì)流道時(shí)，在流道旁增加可以激發(fā)出聲表面波(SAW)的器件，產(chǎn)生機(jī)械波作用于流體，使之很快進(jìn)入湍流狀態(tài)。

SAW是一種能在壓電材料表面產(chǎn)生并按一定方向傳播的機(jī)械波，它的能量主要集中在基片表面以下幾個(gè)波長(zhǎng)的深度范圍內(nèi)，振幅伴隨深度的增加呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律衰減?？梢援a(chǎn)生SAW的器件稱為叉指換能器(IDT)，IDT主要是通過(guò)光刻、濺射、剝離等MEMS技術(shù)，在壓電材料(如鈮酸鋰、二氧化硅等)上制作出的狀如人手交叉的一系列金屬電極，實(shí)現(xiàn)電能、聲能之間的相互轉(zhuǎn)換功能。標(biāo)準(zhǔn)IDT形狀及參數(shù)如圖3所示。

當(dāng)給輸入叉指換能器特定電信號(hào)時(shí)，由于逆壓電效應(yīng)，換能器會(huì)在壓電基底上激發(fā)出聲表面波。SAW的頻率、范圍等均由圖中的p、W等參數(shù)決定。

將設(shè)計(jì)的微通道長(zhǎng)度初步定為20 mm，與叉指換能器并排放置，激發(fā)聲表面波的傳播方向與微流道方向垂直，制作的圖形如圖4所示,流道數(shù)目根據(jù)寬度的不同控制在40～80之間。圖中，左側(cè)為微流道，右側(cè)為可以激發(fā)SAW的叉指換能器。

3 MEMS制造

根據(jù)所設(shè)計(jì)的流道圖形，制作了實(shí)驗(yàn)所用的鉻掩膜版。流道的基底材料選用直徑10.16 cm的二氧化硅晶片。

3.1 光刻

在微流道和IDT的制作過(guò)程中，光刻是得到精細(xì)線條最關(guān)鍵的步驟。首先進(jìn)行基片預(yù)處理，去除表面的金屬離子、固體顆粒、殘留物等。然后進(jìn)行勻膠，將EGP533光刻膠滴加在基片表面，設(shè)置勻膠機(jī)(SC-1B型)轉(zhuǎn)速為500 rpm，勻膠時(shí)間10 s，最后可以得到厚度約為15 μm厚的均勻膠層。圖5是激光共聚焦顯微鏡下表面的勻膠高度微觀示意圖。

經(jīng)過(guò)前烘，開(kāi)始對(duì)基片進(jìn)行曝光，對(duì)于15 μm厚的EGP533光刻膠，為避免曝光不足及曝光過(guò)度問(wèn)題，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)踐及計(jì)算，最終設(shè)置曝光時(shí)間為5.2 s。圖6為曝光成功后所得圖形及曝光失敗圖。

3.2 金屬濺射

對(duì)曝光后的基片進(jìn)行后烘顯影處理后，選用純鋁為靶材，采用多靶材共焦磁控濺射系統(tǒng)進(jìn)行金屬濺射，濺射速度約為0.5 μm/min。通過(guò)控制系統(tǒng)濺射時(shí)間，可以得到微米級(jí)別范圍內(nèi)的任意高度流道。經(jīng)過(guò)90 min濺射，可以得到60 μm高的微流道結(jié)構(gòu)。

最后，將濺射好的基片浸泡于丙酮溶液中，并用超聲波振蕩，直至叉指周?chē)袖X膜全部脫落。取出基片，用去離子水清洗，氮?dú)獯蹈珊?，就得到制作完成的微流道及IDT，基片上流道與IDT的整體及微觀圖如圖7所示，白色為濺射鋁，暗色為基片表面。

4 湍流驗(yàn)證

在未設(shè)計(jì)微泵及密封蓋板的情況下，對(duì)聲表面波作用于流體的情況進(jìn)行試驗(yàn)：23 ℃下，選用實(shí)驗(yàn)試劑甘油(純度99%)和硫酸銅溶液，利用注射器在微流道位置分別滴加0.05 ml 2種溶液，記錄不同時(shí)刻液滴混合情況，如圖8所示。

僅在自然擴(kuò)散作用下，2種液體經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間接觸后依然有明顯的分層現(xiàn)象，幾乎無(wú)混合。將叉指換能器接入峰-峰值10Vpp的正弦電壓信號(hào)，產(chǎn)生聲表面波，記錄不同時(shí)刻液滴混合情況，如圖9所示。

可以看到，在聲表面波作用下，由于聲表面波的作用，液滴內(nèi)部產(chǎn)生了大小不等的渦流，兩液體邊界層結(jié)構(gòu)遭到破壞，很快達(dá)到了完全混合。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文著眼于電子設(shè)備中高熱耗的微型元器件散熱問(wèn)題，在液冷領(lǐng)域，運(yùn)用流體力學(xué)理論，分析計(jì)算得出影響冷板換熱系數(shù)的微通道設(shè)計(jì)參數(shù)，以MEMS技術(shù)為依托，提出以聲表面波為外部驅(qū)動(dòng)力、增大冷卻液流動(dòng)的雷諾數(shù)、提高換熱系數(shù)的微冷板設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)出一種將聲表面波器件與微流道結(jié)合的微型結(jié)構(gòu)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了聲表面波作用于液體后的層流擾動(dòng)效果。

下一步工作將以微流道的封裝及驅(qū)動(dòng)為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)液體在微通道內(nèi)的進(jìn)出、微通道的散熱效果、與設(shè)備高熱耗器件耦合工作等方面進(jìn)行深入研究。

[1] 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)，2010,46(2)：99-100.

[2] 豆會(huì)均.淺談液冷技術(shù)發(fā)展[J].江蘇航空,2011(S0):175-176.

[3] 劉一兵.矩形微通道流動(dòng)換熱特性的數(shù)值分析[J].紅外技術(shù),2010，32(5):307.

[4] 蔣潔.高熱流微冷卻器的換熱性能研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2006,19(5)：2028.

[5] 劉煥玲.圓形微通的對(duì)流換熱特性研究[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2009,38(3)：477-478.

ResearchintoTheDesignofLiquidCoolingMicro-channelBasedonAcousticSurfaceWave

ZHANG Liang
(The 20th Research Institute of CETC,Xi'an 710068,China)

Based on the theoretic study of traditional regular cold plate,this paper designs the micron grade micro-channel taking surface acoustic wave as auxiliary to solve the heat dissipation of tiny components,and fabricates the micro structure integrated by micro-channel and acoustic surface wave fork transducer by using micro-electro-mechanical system (MEMS) technology,validates the functions of acoustic surface wave destroying the liquid laminar flow structure and accelerating liquid mixing.

micro-channel;micro-electro-mechanical system;acoustic surface wave;turbulence

2017-05-10

TN305.94

：A

：CN32-1413(2017)03-0114-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.03.027