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)

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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)

在傳統常規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(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；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。傳統液冷系統依靠提高通道內液體的流速使冷卻液達到紊流狀態來強化傳熱，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?，隨著電子器件熱流密度的不斷提高，傳統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境復雜，常規的冷板設計與加工方法也難以對其實現覆蓋。因此，本文以微小元器件工作散熱問題為出發點，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。人們發現，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:

(2)

壓力損失:

(3)

換熱系數:

(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；f為阻力系數；Nu為努塞爾數；λfin為冷板基體材料導熱系數。

和常規通道不同的是，微通道沒有一個確定的轉捩雷諾數，一般根據某個參數的突變來確定層流與湍流的分界。根據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，阻力系數越小，平均對流換熱系數越大，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(MEMS)技術范疇。MEMS主要包括微型結構、微型傳感器，微型執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，流道寬度在常規冷板的基礎上，降低數量級，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。由上文分析，微通道中的液體在湍流狀態下的換熱性能最好。而微通道環境下，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，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、達到湍流狀態所需的距離l為：

(6)

根據式(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，不利于換熱系數的提高。

要使流體在微通道中保持湍流狀態，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。

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指數規律衰減?？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，實現電能、聲能之間的相互轉換功能。標準IDT形狀及參數如圖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出聲表面波。SAW的頻率、范圍等均由圖中的p、W等參數決定。

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,流道數目根據寬度的不同控制在40～80之間。圖中，左側為微流道，右側為可以激發SAW的叉指換能器。

3 MEMS制造

根據所設計的流道圖形，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進行金屬濺射，濺射速度約為0.5 μm/min。通過控制系統濺射時間，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的微通道設計參數，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、提高換熱系數的微冷板設計思路，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