微熱管在電子器件冷卻中的應(yīng)用

1 引言
電力電子裝置正向著功能越來越完善而體積越來越小的方向發(fā)展，在電力電子裝置內(nèi)部產(chǎn)生的高熱流密度對裝置的可靠性造成極大威脅。對電力電子裝置失效原因的統(tǒng)計表明，由于高溫導(dǎo)致的失效在所有電子設(shè)備失效中所占的比例大于50％，傳熱問題甚至成為電力電子裝置向小型化方向發(fā)展的瓶頸。微熱管則是隨著微電子技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的一門新興技術(shù)。隨著電子元件集成密度的增加，其產(chǎn)生熱量的散逸變得困難。電子元件除了對最高溫度有要求外，對溫度的均勻性也提出了要求。作為一項很有發(fā)展前景的技術(shù)，微型熱管正是應(yīng)用于電子元件中，以提高熱量的導(dǎo)出率和溫度的均勻化。由于其尺寸小，可減小流動系統(tǒng)中的無效體積，降低能耗和試劑用量，而且響應(yīng)快，因此有著廣闊的應(yīng)用前景。例如，流體的微量配給、藥物的微量注射、微集成電路的冷卻及微小衛(wèi)星的推進(jìn)等。
筆記本電腦CPU的冷卻已有相當(dāng)一部分采用微型熱管解決，一般微型熱管的直徑為3 mm左右，它與現(xiàn)有的風(fēng)扇加熱沉結(jié)構(gòu)相比有明顯的優(yōu)點。針對電子冷卻的特定要求，現(xiàn)已開發(fā)了重力輔助熱管柔性回路熱管、平板型電子冷卻熱管和微型空氣對空氣換熱管等多種微型管。直接埋入芯片硅襯底中的微型熱管已經(jīng)開發(fā)，可代替在集成電路中起導(dǎo)熱作用的金剛石膜。這種微型熱管的體積已小到熱管中蒸汽和液體界面尺寸跟熱管的水力半徑可比的程度。已開發(fā)的這種微型熱管的穩(wěn)態(tài)計算機(jī)模型能計算熱管的傳熱量。但與芯片一體化的熱管在實際的工程使用中還很不完善。
目前的散熱是用導(dǎo)熱系數(shù)很高的金剛石，由于代價很高，正面臨替代的問題。為縮小體積，可進(jìn)行熱管和散熱元件的一體化設(shè)計。針對微電子器件和多芯片組件體積小的特點，開發(fā)了一種埋入式微型陶磁熱管。在芯片襯底里埋入數(shù)個微熱管，熱管內(nèi)注水，熱管中具有毛細(xì)作用的芯是用陶磁材料制成的，軸向開槽，制作工藝與現(xiàn)在的芯片襯底制造工藝完全兼容。
如圖1所示為傳統(tǒng)熱管示意圖，與微熱管不同，它是沿軸向從一端到另一端傳熱，熱管的主體部分作為一個絕熱區(qū)域把蒸發(fā)和冷凝部分分開，長度方向基本可以忽略溫度的變化。

微熱管由密閉容器、毛細(xì)結(jié)構(gòu)與工作流體構(gòu)成。將容器抽成真空后，流入適量的工作流體，然后密封。工作流體在容器內(nèi)維持飽和狀態(tài)，一旦容器的一端受熱，工作流體吸熱汽化所產(chǎn)生的蒸汽流向容器另一端放熱凝結(jié)，而凝結(jié)液將因毛細(xì)作用力或重力回流至原加熱位置。由于熱管內(nèi)的工作流體通過相變傳輸熱量，因而可得到極高的傳導(dǎo)系數(shù)，達(dá)到溫度均恒的效果。自Cotter在1984年提出“微型熱管”的概念以來，微型熱管的結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從重力型、具有毛細(xì)芯的單根熱管，到具有一簇平行獨立微槽道的平板熱管，進(jìn)而發(fā)展到內(nèi)部槽道簇之間通過蒸汽空間相互連通的形式，試圖為各種小面積、高熱流元件散熱提供有效的方法。Plesch和Y.Cao等對幾種小深寬比的微槽平板熱管進(jìn)行了實驗研究。證實了此種熱管有較好的傳熱能力。FaghriA等針對3個幾何尺寸及形狀不同的銅-水微型熱管進(jìn)行了研究實驗，認(rèn)為大深寬比的槽道使熱管具有更好的傳熱性能。然而，對于深微槽平板熱管，現(xiàn)有的實驗數(shù)據(jù)還很缺乏，對熱管傳熱極限以及其他諸多因素對熱管傳熱性能的影響都有待進(jìn)一步研究。目前對微熱管的研究重點是圓棒熱管、扁熱管和電極水力熱管。如圖2所示為圓棒熱管的制作工藝。圖3是圓棒熱管的交叉截面。

2 圓棒熱管(Roll bond heat pipe)
單個或多個熱管被嵌到鋁板表面是筆記本電腦最通用的冷卻形式。然而由于熱管和鋁板之間不是一體化的，有一定的接觸熱阻。為了解決這個問題，研制了新型的圓棒熱管。這種熱管由于沒有傳統(tǒng)熱管的芯體結(jié)構(gòu)(槽道或者絲網(wǎng))，因此很難確定它的滲透性能和各種毛細(xì)限。
圓棒熱管是由兩個單獨的鋁板擠壓成的，用空氣或工作流體進(jìn)行脹接，使得這兩個鋁板能很好地接觸，以消除接觸熱阻，同時降低重量和厚度，在弧型流道中產(chǎn)生毛細(xì)效應(yīng)，能夠使流體快速返回，以適應(yīng)CPU熱負(fù)荷的變化。目前研究的重點是毛細(xì)限的分析、回路的設(shè)計優(yōu)化和熱性能的研究。
圓棒熱管在冷卻筆記本電腦以及電子元件方面有很大的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)[8]提出的模型依據(jù)實際有效長度合理地預(yù)測了毛細(xì)限的范圍55 mm~110mm；對不同工致進(jìn)行了試驗，表明R-134a比R-12a的傳熱性能略好；目前圓棒熱管在研究中的優(yōu)化是25％的體積負(fù)荷；試驗表明8環(huán)線通道設(shè)計的熱性能最好。目前對它的研究很少，而且，大多都停留在基礎(chǔ)理論階段。

3 平板熱管(Flat heat pipe)
如圖4所示為平板熱管傳播器示意圖。平板熱管能把熱量從集中熱源傳向大面積區(qū)域，在這個區(qū)域上，熱流密度通過冷凝面積和蒸發(fā)面積的比值降低。流體返回是三維流動，熱源和散熱器在熱管的對側(cè)，需要一個復(fù)雜的吸液芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。與普通熱管相比這種熱管傳播器具有更大的冷卻面積，而且可直接冷卻，不需要任何額外的噴水式或強(qiáng)迫空氣對流的散熱器。由于平板熱管質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)靈活、導(dǎo)熱性能極高，所以，廣泛應(yīng)用于太空船熱控制、大功率電子元件的冷卻和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。平板熱管作為襯底，熱管不僅是熱的傳播器，同時還作為機(jī)械結(jié)構(gòu)。

根據(jù)吸液芯體的設(shè)計和構(gòu)造，平板熱管一般分為兩類：一種是用傳統(tǒng)的多孔芯結(jié)構(gòu)。如燒結(jié)粉末、光纖和篩子網(wǎng)；另一種是用非圓形微通道作為液體的通道。有微通道或軸向槽的平板熱管有很多優(yōu)點，如高熱流和低成本。目前的熱點研究是要把微槽道和電子元件一體化。
文獻(xiàn)[9]構(gòu)建了一個二維數(shù)學(xué)模型來分析瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)的扁熱管傳熱性能，這些模型解釋了蒸汽核心的壓力和在蒸汽區(qū)域連續(xù)動量和能量方程的耦合。設(shè)計了一個穩(wěn)態(tài)的數(shù)學(xué)程序來求解控制方程，這個程序提高了序列解決方案的標(biāo)準(zhǔn)，解釋了在相界面溫度、壓力和質(zhì)量流率的敏感性。這個方法對于熱量輸入和預(yù)測上顯示和試驗結(jié)果能很好地吻合。這個模型在文獻(xiàn)[10]中用來研究多個分散熱源平板熱管的性能，通過總結(jié)最大液體和蒸汽壓降可以確定所需的毛細(xì)壓降，從而確定吸液芯的核心半徑，提供必需的毛細(xì)壓降，防止干涸。對于已知的核心半徑，分析有助于確定干涸的時間和位置，干涸的位置就在毛細(xì)壓頭的最大值處。
相變材料適用于短暫瞬態(tài)和周期性的散熱情況，用PCM儲能材料替代銅熱沉，這樣能夠降低結(jié)點溫度，同時節(jié)約體積和重量，由于PCM導(dǎo)熱性比鋁合金要小，多孔鋁泡沫填充材料能夠提高傳熱系數(shù)。
文獻(xiàn)[12]試驗結(jié)果表明：熱管最大傳熱能力的影響因素有網(wǎng)眼數(shù)目、金屬絲直徑、網(wǎng)層數(shù)、傾斜角度、燒結(jié)過程和燒結(jié)網(wǎng)芯的緊系數(shù)。
下一步主要研究熱管的傳熱極限，優(yōu)化蒸發(fā)面積，使熱量能傳到更大的冷卻面積上，同時試驗結(jié)果表明：與溝槽表面相比多孔結(jié)構(gòu)能提供更大的毛細(xì)力，開發(fā)新型材料在確保密封的同時降低材料熱阻，提高導(dǎo)熱性能，如何測量加熱器下的溫度是需要解決的一個問題。
目前的主要研究目標(biāo)有4個：
(1)開發(fā)理論模型以預(yù)測熱管的傳熱限；
(2)改進(jìn)其制作工藝，目前產(chǎn)品的報廢率很高；
(3)確定幾何外形和操作參數(shù)對傳熱能力的影響以優(yōu)化熱管的結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)熱力學(xué)第二定律的墑產(chǎn)最小進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；
(4)強(qiáng)化傳熱，填充鋁和金金屬泡沫或者PCM相變材料以降低材料熱阻，提高傳熱性能。

4 電流體動力微熱管
一體化電流體動力微熱管示意圖如圖5所示。由于從冷凝器到蒸發(fā)器輸送液體有很大的流體粘性損失，因此傳統(tǒng)的微熱管不能帶走電子元件的極大功率密度。文獻(xiàn)[13]提出用電極取代毛細(xì)芯，結(jié)果表明電極能在冷凝器和蒸發(fā)器中輸送流體，與現(xiàn)存的毛細(xì)芯驅(qū)動現(xiàn)象相比，其性能較差。文獻(xiàn)[14]的試驗證明：螺紋槽電流體動力熱管驅(qū)動流體的傳熱性能比普通毛細(xì)芯熱管性能提高了100％。文獻(xiàn)[15]表明微熱管陣列在傳熱性能上提高了6倍。對于微熱管電場的應(yīng)用不僅能提高微熱管的傳熱能力，而且已有文獻(xiàn)表明，對于瞬態(tài)熱負(fù)荷，電流體動力熱管能夠?qū)嵩刺峁┯行У臒峥刂啤?/P>

文獻(xiàn)[16]結(jié)果表明：應(yīng)用電場時，與傳統(tǒng)微熱管不同，工作流體大多集中在微熱管的蒸發(fā)區(qū)域，通過蒸發(fā)降低熱源的溫度，蒸發(fā)器中工作流體的數(shù)量由電場的長度確定，改變電場長度能夠控制蒸發(fā)器中工作流體的數(shù)量，這樣，通過控制電場長度能夠靈活地控制帶走的熱量和溫度的需求。能夠消除溫度的波動，使溫度控制更精確。
電流體動力微熱管的主要特征是在蒸發(fā)器表面能產(chǎn)生超細(xì)薄膜，靠靜電體積力來驅(qū)動流體。這個裝置能降低電子元件的工作溫度，提供對敏感元件的溫度控制。以MEMS為基礎(chǔ)的冷卻裝置在計算機(jī)、生物醫(yī)學(xué)、汽車和宇宙空間等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)[181的原型裝置的最大冷卻能力為65 W/cm2泵壓頭250 Pa.R-134a為工作流體。
文獻(xiàn)[17]設(shè)計了一個可變電極間距的整體微熱泵裝置，微熱管蒸發(fā)器和水平面的夾角分別取30、45和60，并對各種情況進(jìn)行了試驗。在過熱19℃時的冷卻率達(dá)到35 W/cm2，電壓400 V時的穩(wěn)態(tài)壓頭為350 Pa，這種小型冷卻裝置可和背面帶冷卻裝置的小型電子元件接觸，能夠調(diào)節(jié)從電子元件帶走的熱量。

5 結(jié)束語
在綜述前人研究的基礎(chǔ)上，筆者提出了今后研究的主要思路：
(1)對材料和元件進(jìn)行熱和受力分析，改進(jìn)封裝工藝：改進(jìn)微通道的加工工藝，解決堵塞的問題；
(2)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立熱管的振蕩特性預(yù)測控制，解決設(shè)備的疲勞熱損壞、局部傳熱溫度變化、局部干涸及振動問題，延長熱管的使用壽命；
(3)綜合利用微噴管和微熱管，大大增強(qiáng)散熱性能?？s小尺寸效應(yīng)對液體表面張力與相變化的影響，目前普遍采用的是三角形流道，采用多邊形通道結(jié)構(gòu)的設(shè)計，蜂窩狀結(jié)構(gòu)及樹狀結(jié)構(gòu)設(shè)計的仿生優(yōu)化，對比幾種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點。在單層微通道換熱器趨于成熟的情況下，對雙層微通道也進(jìn)行了研究，目前研究結(jié)果表明后者有利于減少壓力降，提高芯片溫度均勻性，減少熱應(yīng)力。綜合多種因素，將功耗最小確定為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，為工程的實際應(yīng)用提供參考；
(4)按照傳統(tǒng)的傳熱學(xué)理論可知，當(dāng)流體流經(jīng)通道時，入口段熱邊界層處于發(fā)展中階段，熱邊界層較薄，導(dǎo)致了入口段的Nu要遠(yuǎn)大于充分發(fā)展階段的Nu。鑒于此，可以設(shè)計一種新型的帶有交錯結(jié)構(gòu)的硅基微通道，使其能周期性地中斷熱邊界層，達(dá)到強(qiáng)化換熱的目的，并與常規(guī)的直硅基微通道進(jìn)行了水的單相發(fā)展中層流對流換熱的對比實驗研究，完善結(jié)構(gòu)設(shè)計；
(5)依據(jù)熱勢能耗散最小分析優(yōu)化熱管的傳熱，利用場協(xié)同原理優(yōu)化微熱管的結(jié)構(gòu)，與目前流行的熵產(chǎn)最小的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行對比分析，微熱管技術(shù)如何與其他領(lǐng)域研究相互配合、協(xié)同發(fā)展是微流動系統(tǒng)研究的另一重要挑戰(zhàn)；
(6)利用熱力學(xué)第二定律來確定傭的位置，進(jìn)行熵產(chǎn)分析來優(yōu)化系統(tǒng)的性能和效率。優(yōu)化蒸發(fā)面積，使熱量能夠傳輸?shù)礁蟮睦鋮s面積上。