張 亮

(中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

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基于聲表面波的液冷微通道設計研究

張 亮

(中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

在傳統(tǒng)常規(guī)冷板的理論研究基礎上，為解決微小元器件散熱，設計了以聲表面波為輔助的微米級微通道，并利用微機電系統(tǒng)(MEMS)技術制作了微通道與聲表面波叉指換能器集成的微型結構，對聲表面波破壞液體層流結構、加速液體混合的功能進行了驗證。

微通道；微機電系統(tǒng)；聲表面波；湍流

0 引 言

對于電子設備的散熱，目前常用的強迫冷卻技術主要有風冷和液冷，通常在熱流密度超過一定范圍后，風冷已很難奏效，難以滿足總體要求。傳統(tǒng)液冷系統(tǒng)依靠提高通道內液體的流速使冷卻液達到紊流狀態(tài)來強化傳熱，然而流速增大的同時也會帶來流體阻力及泵功率消耗的增大?？傊S著電子器件熱流密度的不斷提高，傳統(tǒng)液冷技術也面臨更高的散熱要求和更復雜的設計加工過程[1]。

1 理論研究

目前工程中應用的液冷冷板，流道寬度多為毫米級，主要以設備級、模塊級冷卻為主，即將設備或模塊與機架的安裝面或貼合面作為冷板，以傳導方式將設備的熱耗通過冷板快速導出，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，熱耗無法及時由設備殼體及冷板導出，局部工作溫度過高，從而導致整個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)境復雜，常規(guī)的冷板設計與加工方法也難以對其實現(xiàn)覆蓋。因此，本文以微小元器件工作散熱問題為出發(fā)點，設計一種可以用于元器件級散熱的微米級微通道。

微通道通常指當量直徑在10 μm～1 mm的流道,其換熱機理和常規(guī)換熱器不同。1981年，2位美國學者Tuckerman和Pease開始最早的微通道散熱研究，他們采用精密化學腐蝕法，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，國內外有很多學者研究其結構尺寸對流動和換熱的影響。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。

一般來說，當量直徑在10 μm～1 mm范圍內的微通道結構，連續(xù)介質假設成立，N-S方程(粘性不可壓縮流體動量守恒運動方程)仍然適用。典型的矩形多通道冷板結構如圖2所示。

由傳熱學理論，有以下定義[2]：

通道當量(水力)直徑:

Dh=2bcD/(bc+D)

(1)

通道流動雷諾數(shù):

(2)

壓力損失:

(3)

換熱系數(shù):

(4)

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

和常規(guī)通道不同的是，微通道沒有一個確定的轉捩雷諾數(shù)，一般根據(jù)某個參數(shù)的突變來確定層流與湍流的分界。根據(jù)以上公式及相關的文獻，可得出以下結論：

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

(2) 微通道中，由于尺度效應的影響，流體的轉捩雷諾數(shù)提前到1 000～1 100 之間，當Re大于2 500時，微通道內達到湍流[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) 微通道當量直徑越小，阻力系數(shù)越小，平均對流換熱系數(shù)越大，即在相同面積上做多個微通道比一個大通道的換熱效果好[5]。

綜上所述，微矩形通道的設計，應從當量直徑小、雷諾數(shù)大、流道寬度小3個方面考慮，進行微矩形通道的設計工作。

2 方案設計

本文研究的微米級液冷通道設計，屬于微機電系統(tǒng)(MEMS)技術范疇。MEMS主要包括微型結構、微型傳感器，微型執(zhí)行器和相應的處理電路等的設計與研制，器件的整體幾何空間多為厘米級，可以很好地與設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，本文設計4種微通道，流道寬度在常規(guī)冷板的基礎上，降低數(shù)量級，選擇寬度分別為80 μm、100 μm、120 μm、200 μm的通道。冷卻介質由入口進入流道時，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，流體的傳質主要靠擴散作用。擴散是物質通過分子運動而自發(fā)產生的輸運過程。通常粒子擴散一定距離ω所需要的時間t為：

(5)

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

由式(5)可知，當流體完全混合、達到湍流狀態(tài)所需的距離l為：

(6)

根據(jù)式(6)可以初步估計出在微通道中流體完全混合所需要的長度。例如，當液體流速為0.1 m/s時，采用流道寬度為200 μm，即混合距離ω=100 μm，分子(以水分子H2O為對象)擴散系數(shù)取值D=10-9m2/s，計算可得混合所需通道長度為1 m，遠遠大于微通道甚至模塊、設備的實際空間，即冷卻液進入微通道后，在短距離內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，破壞流體的層流結構、增大擾動。在設計流道時，在流道旁增加可以激發(fā)出聲表面波(SAW)的器件，產生機械波作用于流體，使之很快進入湍流狀態(tài)。

SAW是一種能在壓電材料表面產生并按一定方向傳播的機械波，它的能量主要集中在基片表面以下幾個波長的深度范圍內，振幅伴隨深度的增加呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律衰減?？梢援a生SAW的器件稱為叉指換能器(IDT)，IDT主要是通過光刻、濺射、剝離等MEMS技術，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，實現(xiàn)電能、聲能之間的相互轉換功能。標準IDT形狀及參數(shù)如圖3所示。

當給輸入叉指換能器特定電信號時，由于逆壓電效應，換能器會在壓電基底上激發(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。

將設計的微通道長度初步定為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，左側為微流道，右側為可以激發(fā)SAW的叉指換能器。

3 MEMS制造

根據(jù)所設計的流道圖形，制作了實驗所用的鉻掩膜版。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的制作過程中，光刻是得到精細線條最關鍵的步驟。首先進行基片預處理，去除表面的金屬離子、固體顆粒、殘留物等。然后進行勻膠，將EGP533光刻膠滴加在基片表面，設置勻膠機(SC-1B型)轉速為500 rpm，勻膠時間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。

經過前烘，開始對基片進行曝光，對于15 μm厚的EGP533光刻膠，為避免曝光不足及曝光過度問題，經過反復實踐及計算，最終設置曝光時間為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

對曝光后的基片進行后烘顯影處理后，選用純鋁為靶材，采用多靶材共焦磁控濺射系統(tǒng)進行金屬濺射，濺射速度約為0.5 μm/min。通過控制系統(tǒng)濺射時間，可以得到微米級別范圍內的任意高度流道。經過90 min濺射，可以得到60 μm高的微流道結構。

最后，將濺射好的基片浸泡于丙酮溶液中，并用超聲波振蕩，直至叉指周圍所有鋁膜全部脫落。取出基片，用去離子水清洗，氮氣吹干后，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 湍流驗證

在未設計微泵及密封蓋板的情況下，對聲表面波作用于流體的情況進行試驗：23 ℃下，選用實驗試劑甘油(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，記錄不同時刻液滴混合情況，如圖8所示。

僅在自然擴散作用下，2種液體經過長時間接觸后依然有明顯的分層現(xiàn)象，幾乎無混合。將叉指換能器接入峰-峰值10Vpp的正弦電壓信號，產生聲表面波，記錄不同時刻液滴混合情況，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，液滴內部產生了大小不等的渦流，兩液體邊界層結構遭到破壞，很快達到了完全混合。

5 結束語

本文著眼于電子設備中高熱耗的微型元器件散熱問題，在液冷領域，運用流體力學理論，分析計算得出影響冷板換熱系數(shù)的微通道設計參數(shù)，以MEMS技術為依托，提出以聲表面波為外部驅動力、增大冷卻液流動的雷諾數(shù)、提高換熱系數(shù)的微冷板設計思路，設計出一種將聲表面波器件與微流道結合的微型結構，并通過試驗驗證了聲表面波作用于液體后的層流擾動效果。

下一步工作將以微流道的封裝及驅動為出發(fā)點，對液體在微通道內的進出、微通道的散熱效果、與設備高熱耗器件耦合工作等方面進行深入研究。

[1] 揭貴生.大容量電力電子裝置中板式水冷散熱器的優(yōu)化設計[J].機械工程學報，2010,46(2)：99-100.

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

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

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

[5] 劉煥玲.圓形微通的對流換熱特性研究[J].電子科技大學學報,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