刘用鹿蜂窝层叠微通道热沉系统散热性能实验研究..docVIP

中国工程热物理年会 传热传质学 学术会议论文 编号：093278 蜂窝层叠微通道热沉系统 散热性能实验研究* 刘用鹿，罗小兵，刘 伟 （华中科技大学能源与动力工程学院，武汉，430074） (Tel: 027 E-mail: deerlyl@163.com)本文一种 W/cm2，基板温度控制在61.4℃，为电子器件散热应用提供了一种良好的系统结构。 关键词：蜂窝形，微通道，层叠，散热 引言 随着微机电系统的广泛应用，各种电子元器件功能模块高度集成化和微型化，Tuckerman和Pease[1]于1981年提出的微通道散热器的设计思想是电子散热研究领域中的一个重要里程碑，其设计的一种矩形微通道散热器有效散热达到了790W/cm2。受到此开创性工作的鼓舞，对微通道散热器的研究得到了国内外研究者们的极大关注[2] [3]。虽然微通道散热器具有结构紧凑，比表面积大，强化传热和Kishimoto 和Sasaki[4]设计了一种菱形错列微肋结构来降低基板芯片组工作时不同位置处的结点温度差异。通过交错排列布置的微肋结构，使得热边界层的充分发展受到限制，相比较平行直流排列的微肋结构，其分析结果表明使用叉排布置的肋片结构可使基板芯片组的结点温度差最大可降低25％。Kandlikar和Upadhye[5]也提出了一种错列窄肋结构，通过将流体进出散热器方式由两端单向进出改为中间流入两端流出方式，在强化传热的同时减少流体在微通道内的流动距离而有效减阻。X.Q. Wang，A.S. Mujumdar和C. Yap[6]对一种树状结构的矩形微通道热沉进行了数值模拟，结果表明这种流体网络结构相比传统的平行直流通道而言，其基板温度分布均匀性和功耗损失得到了改善。陈永平和郑平[7]通过实验也验证了分形树状微通道散热器具有较高的热有效性。 虽然现代微加工技术的发展使得一些复杂结构的微通道设计变成现实，但由此也带来了高成本和低可靠性等一系列问题。将多层微通道结构层叠在一起以在有限的封装空间内形成更大的比表面积和复杂三维立体结构是降低加工难度的一种有效替代方式。Vafai和Zhu[8]设计了一个两层叠加的逆流矩形结构微通道热沉模型，计算结果表明该结构相对单层热沉来说，基板温升和降低功耗方面都得到了明显的改善。X.J. Wei 和Y. Joshi[9][10]分析了多层微通道结构的散热特性，结果显示在散热能力相同的情况下，多层微通道结构所需流体流量和功耗相比单层结构而言大大降低。 基于增大微通道散热器比表面积和减小热边界层厚度以强化传热的目的，本文提出了一种新的蜂窝形微通道热沉散热系统，讨论了该结构形式并对其进行了单相流热实验 W/cm2，基板温度控制在61.4℃，为电子器件散热应用提供了一种良好的系统结构。 系统结构设计 蜂窝形微通道结构由多层微通道板叠合而成，单层基本结构如图1（a）所示在，宽，厚的平直金属薄片上刻蚀加工出多个紧密排列的微孔，和肋宽确定，如图1（b），在金属薄片的四周留有宽度为的实体区域留作层层焊接使用。将此多层金属薄片按上下层层叠合，在内部即形成交错的蜂窝形微通道结构导热系数高的金属材料作为微通道，紧密贴合，工作流体沿通道流动时受到层与层间交错金属骨架的扰动，。此种微通道结构在增加换热面积的同时，利用交错 (a) (b) 图1 单层微通道板结构尺寸示意图 图2 多层微通道板叠加结构示意图 蜂窝形微通道板采用金属光化学蚀刻方法加工。该技术利用光致抗蚀剂的模板来实现对选定区域的化学刻蚀加工，适用于不锈钢、铜及其合金、镍、锡及其铁合金、铝等金属，和玻璃、光敏玻璃、聚合物等各种材料。在经清洁处理并覆上感光膜涂层的金属板上，通CAD/CAM技术，将所需刻蚀的图样印制于正负两张胶片上，胶片上包含非透光区（黑色——将被蚀刻的部分）以及透光区（透明色——免除蚀刻的部分），分别贴在金属板的两面。对位放置好后，将材料曝光，光线只照到胶片透光区下方的涂层，被照光涂层发生硬化作用，使得后来显影液无法溶除该硬化涂层。显影之后，使用蚀刻剂溶解除硬化保护层以外的材料，以得到所需的部件形状。该加工方法工艺成熟可靠，不需模具的设计制造，生产周期短，应变快，可加工任何复杂图样。由于加工过程中无外力冲击，加工部件不变形，平整度好，也不改变材料电磁特性等，特别适用于快速、低成本地生产复杂形状的薄金属部件。将上述加工出的蜂窝形微通道板层