山东大学|陈超伟，柳洋，杜文静，辛公明，等：局部热点下微肋通道流动传热特性

学术 2024-10-17 16:50 北京

局部热点下微肋通道流动传热特性

陈超伟 ¹ 柳洋 ¹杜文静 ¹李金波 ²史大阔 ³辛公明 ¹

（1. 山东大学能源与动力工程学院，山东济南 250061；2. 浪潮电子信息产业股份有限公司，山东济南 250100；3. 山东东岳高分子材料有限公司，山东淄博 256401 ）

DOI：10.11949/0438-1157.20240281

摘要集成电路的发展使芯片尺寸缩小但设备功耗急剧增加，由此引发的电子设备散热问题已成为限制其快速发展的重要瓶颈。微通道冷却目前被认为是实现超高热通量散热最具前景的技术。设计并制备了具有不同肋片结构的多种硅基微肋通道热沉，对其在局部热点下的流动传热特性进行实验研究和对比分析。结果表明交错肋微通道的流动阻力较低，在相同Reynolds数条件下，其压降比方肋微通道降低22.8%。综合对比，交错肋可以在更低的流动损失条件下有效破坏流体的近壁面边界层的发展，从而使热沉以较低的泵功实现对更高热通量的高效冷却，相比于方肋微通道其COP最高可提升14.1%。而热点不同位置变化对热沉最高温度影响不大。

关键词电子设备冷却；微通道；流动；传热

Flow and heat transfer characteristics of micro ribs channel with local hot spots

CHEN Chaowei ¹ LIU Yang ¹DU Wenjing ¹LI Jinbo ²SHI Dakuo ³XIN Gongming ¹

（1. School of Energy and Power Engineering, Shandong University, Jinan 250061, Shandong, China；2. Inspur Electronic Information Industry Co., Ltd., Jinan 250100, Shandong, China；3. Shandong Dongyue Polymer Material Co., Ltd., Zibo 256401, Shandong, China ）

Abstract: The development of integrated circuits has reduced the size of chips while dramatically increasing their power consumption. The heat dissipation problem of electronic devices caused ty this has become an important bottleneck restricting their rapid development. Microchannel cooling is now considered as the most promising technology to realize ultra-high heat flux dissipation. In this study, a variety of silicon-based micro ribs channel heat sinks with different rib structures are designed and prepared, and their flow and heat transfer characteristics with different hot spots are experimentally investigated and analyzed. The results show that the flow resistance of the staggered rib microchannel is lower, and its pressure drop is 22.8% lower than that of the square rib microchannel under the same Reynolds number condition. Comprehensive comparison, the staggered ribs can effectively destroy the development of the near-wall boundary layer of the fluid with lower flow loss, so that the heat sink can realize efficient cooling of higher heat flux with lower pumping power, and its COP can be increased by up to 14.1% compared with that of the square ribs microchannel. And the change of hot spot position has little effect on the maximum temperature of heat sink.

Keywords: electronics cooling；microchannels；flow；heat transfer

引言

电子设备小型化与集成化的快速发展导致其功率密度不断攀升。未来高性能电子设备的热点热通量更是会突破1000 W/cm^2[1-2]，传统冷却技术将无法满足其散热需求。微通道热沉由于其极高的散热能力自1981年被Tuckerman等^[3]提出便被广泛关注，被认为是未来实现芯片超高热通量散热最具前景的技术^[2,4]。

微通道热沉多是通过在芯片的基板上刻蚀出通道，当冷却流体流经微通道时会与通道的固体壁面进行强烈的对流换热，携带走芯片产生的热量，从而实现对芯片高效冷却。由于微通道水力直径一般较小，其换热能力可以很强，但同时其压降也会较高。研究者们进行了大量研究，试图寻找到更加优越的结构形式，如波浪形通道^[5-7]、微肋阵列^[8-9]、加肋通道^[10-11]、二次流通道^[12-13]、逆流通道^[14]、多孔介质^[15-17]、双层微通道^[18-19]、仿生通道^[20]、拓扑优化^[21]等。其中，加肋通道可以极大促进流体混合并破坏边界层发展从而实现强化换热，使其成为微通道热沉优化研究的焦点方向之一。Chai等^[22-23]对具有不同形状的加肋微通道的流动传热特性进行了模拟研究，结果表明，与没有肋的微通道相比，加肋微通道的热阻降低了4%~31%^[22]，加肋间断微通道的Nusselt数增加了24%~57%，流动阻力增加了3%~70%^[23]。Wang等^[24]探究了横向肋、纵向肋及其组合肋对微通道流动传热特性的影响，发现组合肋可以更好地中断热边界层，使其在横向和纵向方向上引起再循环，并将微通道的Nusselt数提升1.2~2倍。Li等^[25]对比了中心方肋、对称肋、交错肋及其多孔肋的性能，发现交错肋的布置方式优于对称肋及中心肋。由于芯片的厚度很薄且芯片运行过程中本身发热并不均匀，因此芯片内部局部热点的冷却也是高效热管理中需要关注的问题。Lee等^[26-27]发现通过增加芯片热点区域的肋片密度来提高区域对流换热强度可以有效地降低芯片局部热点区域的温升。Sharma等^[28]研究了优化微通道流动入口对芯片局部热点区域的冷却效果。Waddell等^[29]研究了射流技术在局部热点冷却中的应用，结果表明，局部的对流传热系数提高了5倍。

综上可以看出，在微通道热沉中加入肋片可以显著地强化传热，但是不同的肋片形状及其布置方式对微通道流动及传热的影响具有很大差异，一般换热的强化也多伴随着压降急剧增加。因此，针对微通道热沉的肋片结构优化值得深入研究。基于此本文设计并制备具有不同结构和布置形式的微通道热沉，实验探究肋片对微通道热沉在局部热点条件下流动传热特性的影响。并探究局部热点位置变化对微通道热沉散热性能的影响。最后对具有不同肋片结构的微通道热沉的综合性能进行对比分析。

1 微通道热沉设计及制备

1.1 微通道热沉设计

为了对比具有不同微肋结构的微通道热沉的流动传热特性，本研究共制备了3种具有不同微肋结构的微通道热沉，包括圆肋、方肋和交错肋，如图1所示。整个微通道的流动区域长4 mm，宽1300 μm，深60 μm，其中包括6条宽度均为120 μm的微通道。圆肋微通道中，每条通道的中心轴均匀布置有8个直径为40 μm的圆肋，其中心距为500 μm。方肋微通道是将圆肋微通道中直径为40 μm的圆肋替换为边长为40 μm的正方形肋。交错肋则是在方肋基础上将原本的方肋一分为二并沿流动方向等间距交错排布，其余保持不变。3种微通道中肋的高度均为60 μm。

图1 微通道热沉结构Fig.1 Microchannel heat sink structure

1.2 微通道热沉制备过程

图2展示了微通道热沉的制备过程及其主要构成部件。微通道热沉整体的流体流通部分由贯穿硅片的流体进出口以及进出口的中间流动区域组成。其中流动区的正中间为带有肋片结构的微通道热沉区；左右两侧为发展段，发展段中间设置有扰流柱，其由5排交错排布的直径和间距均为30 μm的微柱组成，目的是对流体进行预先的扰动，使其尽可能地均匀流入到每一个微通道中。微通道热沉的背面布置有7个Pt电阻（RTD）用来加热和硅基板的测温，其中从入口侧到出口侧7个Pt电阻分别编号为R1~R7。同时为了尽可能地减小热沉漏热，在微通道区域的外围设置了隔热槽。其主要加工流程如下：首先对厚度为500 μm硅晶圆进行一次光刻，而后刻蚀出流体流通区域并将掩模板剥离；再将500 μm厚的BF33玻璃与硅片一次刻蚀侧进行键合密封；将键合后整体从硅片侧减薄至120 μm，在上面沉积二氧化硅薄层后光刻沉积RTD（规格150 μm×1300 μm，间距475 μm）；最后经二次光刻刻蚀出流体进出口及隔热槽。

图2 微通道热沉制备Fig.2 Microchannel heat sink preparation process

2 实验系统

2.1 实验方法

为了研究相关微通道热沉的流动传热性能，本研究搭建了如图3所示的实验系统。本实验系统由可控压力驱动冷却工质通过微通道热沉以实现冷却。压力控制泵输出压缩气体至储液池，挤压液体工质(去离子水)从液体管路流经流量计及预热/冷器后以恒定的入口温度(T_in=25℃)和流量条件(Q)流经实验段并吸热带走热量。其中压力控制泵与流量计通过软件负反馈连接，实现液体工质以设定的恒定流量输送。此外，在液体管路的流量计及微通道的前段分别添加了15 μm和2 μm的过滤器，以减少或防止可能存在的杂质影响对流量计的准确测量及微通道的堵塞。

图3 实验系统Fig.3 Experimental system

本研究的实验段由微通道热沉及其PCB板、测温测压部件以及实现固定和密封的定制夹具组成。首先将微通道热沉粘接在PCB板上，并将微通道热沉上的RTD引脚与PCB板通过银线连接。利用3D打印技术打印测温测压部件测试接口并将其与夹具固定，在其内部安装压力传感器及热电偶以测量流体在微通道进出口处的实时温度和压力。将O形垫圈放置在微通道热沉的进出口处，扣上夹具使其挤压从而实现流体通路的密封。将RTD与直流电源连接，通过调节直流电源来控制局部热点的输入加热功率q。

2.2 数据处理及实验设备精度

本文采用以下表达式来处理实验数据：

Reynolds数

(1)

水力直径

(2)

式中，w_c和h_c分别为微通道的宽度和长度，m；ρ_f为水的密度，kg/m³；u_c为微通道内水的平均流速，m/s；μ为水的动力黏度，Pa∙s。

本实验液体泵送系统选择FLUIGENT公司生产的模块化系统，包括：桌面压力源(P-PUMP02)，压力范围0~220 kPa，提供稳定的压缩空气；压力控制泵(MFCS-EZ-110001)，压力输出范围0~130 kPa，压力分辨率0.03%FS，响应时间小于40 ms；流量计(FLOW UNIT-XL)，流量范围Q为0~5 ml/min，误差小于1%。过滤器选用Swagelok (SS-2F-15/SS-2F-2)。工质预热/冷器为制冷水浴循环器连接的水冷板，循环冷却器为Thermo Scientific-A25，温度稳定性0.01℃。工质的进出口温度由omega-T型热电偶测定，经过标定误差小于0.2℃。压力传感器为Lab smith，型号uPS0250-T116-10，绝对压力测量范围0~250 kPa，精度1%。直流电源为ITECH (IT6833A)，电压误差0.04%+8 mV，电流误差0.1%+5 mA。数据采集仪为FLUKE-HYDRA series Ⅱ。根据相关设备误差及误差传递公式^[30]计算得到各指标的最大不确定度如表1所示。

表1 各指标最大不确定度Table 1 Maximum uncertainty of each indicator

3 实验结果与分析

3.1 实验结果可靠性验证

为了验证实验过程中测得的结果真实可靠，本文对实验过程中重要部件进行了严格测定。首先对流量计进行了标定，标定方法为在实验系统的末端连接一个20 ml的量筒，而后在系统中设定不同的流量值(Q_s)，待流量稳定后将量筒接入管路并开始计时，量筒液面为20 ml时结束计时，而后计算实际流量值(Q_m)并与设定值对比，结果如图4(a)所示。最终计算所得流量测量误差小于1%。在本实验中硅基板的温度测定是借助基板上沉积的RTD实现的，需要在实验前对RTD进行温度标定，以获取每一个RTD的温度-阻值线性关系，从而验证测温可靠性。具体方法为将微通道热沉放置在真空干燥箱内，并在硅片上临时固定3个热电偶，设定干燥箱内温度为30、40、50、60、70、80、90、100℃，每一个温度区间设定时间为1 h。将测得的3个热电偶温度取平均值，而后将其和电阻数据进行线性拟合，获取相应RTD的温度-阻值线性关系式。在本实验中，3个不同的微通道热沉的全部RTD均重复标定3次。图4(b)展示了圆柱微肋热沉7个RTD阻值与温度的关系式，都呈现出了良好的线性关系。

图4 实验关键测量参数的标定Fig.4 Experimental key component calibration

与此同时，将实验的个别工况进行了数值模拟。其中圆柱微肋的相关数据如表2所示。模拟的换热工况为最中间的Pt电阻(R4)加热，流量条件Q为1800 μl/min。压降误差的计算方法是实验压降与模拟压降之差与实验压降的比值，温度误差为实验与模拟温度之差与实验温升的比值。可以发现压降和最高温度的实验值和模拟计算值的误差均小于10%。

表2 实验与模拟对比Table 2 Comparison of experiment and simulation results

3.2 流动性能分析

图5展示了不同微通道在体积流量范围500~3200 μl/min (Re=15.4~98.3)下的压降(ΔP)，所有压降数据均是3次重复实验的平均值。根据本实验的压力传感器的设置位置，测得的微通道压降包括流体进出口汇流管段、微通道的进出口缓冲及扰流段，以及微通道内的压降。所有微通道热沉在压降测量时唯一的结构区别为微通道内的肋的形状及布置方式。此外汇流管段以及进出口缓冲段水力直径较大，因此其产生的压降在所测压降中占比较小。而微通道内的压降主要由壁面效应产生的摩擦阻力及流体绕肋边界层分离产生的压差阻力所产生的压降组成。从图5可以看出，所有微通道的压降均随着体积流量的增加而增加。当体积流量相同时，方肋微通道的压降最高，圆肋微通道次之，交错肋微通道最低。与方肋微通道相比，交错肋微通道压降的降幅随着流体流量的增加而增加。当流量为3200 μl/min，Re=98.3时，交错肋微通道的压降比方肋微通道下降了22.8%。这是因为当流体流过方肋时，被迫分成两部分并从方肋左右两侧绕过，而后在其后端形成涡流；圆肋更为平滑因此造成的阻力也更小；而交错肋由于是布置在通道侧壁，更多的是打破流体的近壁面边界层，并未将流体分成两部分，尽管其肋的后端也会有涡流的出现但并不会导致其出现较大的压力损失。这也意味着交错肋这种布置在通道侧壁的肋比布置在通道中心的肋（圆肋和方肋）的形式拥有更好的流动性能。

图5 不同微通道热沉压降对比Fig.5 Comparison of the pressure drop in different microchannels heat sink

3.3 换热性能分析

图6展示了3种微通道热沉在不同热点及不同流量条件下的最高温度对比。可以发现，在固定流量条件下，3个热沉的最高温度均随着热通量的增加而升高。其中在R2加热-1800 μl/min工况下，圆肋热沉有2组工况的局部热点热通量突破1000 W/cm²，方肋及交错肋各有1组；在R4加热-1800 μl/min工况下，圆肋及方肋热沉各有2组工况的局部热点热通量突破1000 W/cm²，交错肋有1组；在R4加热-2700 μl/min工况下，圆肋热沉有7组工况的局部热点热通量突破1000 W/cm²，方肋及交错肋各有6组。其中，所有热沉的最大热通量工况为圆肋热沉的1502 W/cm²。局部热通量为电阻施加总功率与该电阻区域的矩形面积之比。所有热沉采用不同局部热点加热时，方肋微通道的最高温度总是呈现最低。圆肋微通道在较低流量下与交错肋的最高温度相近，在高流量条件下其最高温度更低。这是因为方肋对流体的扰动效应更强烈，虽然其将流体强迫地分为两部分，并使流体以较高的局部速度流经微通道造成了巨大的流动阻力，但是这无疑也将极大提高固体鳍与流动的对流换热过程，强化整体换热性能。而圆肋微通道由于对流体更为平滑，因此其对流体的整体扰动尤其是流体在圆肋后端的扰动更缓和，这也应是其最高温度更高的主要原因。对于交错肋，虽然其对流体的局部扰动相比于方肋和圆肋更有限，但是由于其施加扰动的直接区域为固体鳍的近壁面，因此更容易打破热边界层的发展，使得其在更小压力损失下得到了与圆肋相近的换热效果。

图6 不同微通道热沉最高温度对比Fig.6 Comparison of the maximum temperature of different microchannel heat sink

3.4 热点位置影响及热沉温度分布

图7展示了圆肋、方肋以及交错肋微通道热沉在不同局部热点(R2、R4)下流体流量为1800 μl/min时的最高温度对比。其中，R2中心距离微通道入口750 μm，R4距离微通道入口2000 μm。可以发现，3种热沉的最高温度均是R4加热时略低于R2加热，不过差别非常小。这可能是因为热点在微通道热沉的中间时更有利于热量通过硅基板向入口侧传导，并与此处的流体换热，因此微弱地削弱了热量在热点的堆积。从整体上看，相同热沉在不同热点下的最高温度差别不大，因为热量从热点向纵向的传播路径远小于微通道的整体长度。这也意味着在芯片的实际散热过程中，热点的位置如果无法预判，那么其出现的具体位置对热沉的换热性能并无太大影响。如果能够预判热点的区域则可以通过改变结构布置适当地强化局部热点对应区域的对流换热即可，热点外区域的通道结构设计可以做经济的选择。

图7 不同微通道热沉在不同局部热点下的最高温度对比Fig.7 Comparison of the maximum temperature of different microchannel heat sinks at different local hot spots

为了更好地了解热点加热方式下微通道热沉的温度分布，图8选择方肋微通道热沉在不同热点及流量下的温度分布进行展示。可以看出当选择R2加热时，R1处依旧保持着较低的温度。由于R2被用来加热，因此此处的温度应是最高，并往前往后都呈现下降趋势。而后从R3开始温度逐渐降低且距离加热热点越近下降幅度越明显，之后下降态势逐渐趋缓。而选择R4加热时，其整体趋势与R2时相类似。沿着流体的流动方向，加热点之前的温度偏低，加热点之后的温度偏高。这主要是流体流动所导致，流体经过热点之前并未经过强烈的对流换热过程，因此温度较低，也使得此处的硅基板温度更低。这也解释了图7中加热点为R4时的温度整体上是略低于R2的重要原因。因为热点距离微通道入口越远意味着热点前段能更好地与低温流体对流换热并保持相对较低温度。但同时也需要考虑加热点之后有足够的换热区间。

图8 方肋微通道热沉在不同局部热点下的温度分布Fig.8 Temperature distribution of square ribs microchannel heat sink at different local hot spots

3.5 综合性能

COP值是实验表征热沉及换热设备综合性能最常见的指标，其定义为热沉在相同温升水平下所携带走热量与其所消耗泵功之比，即COP_(Δ_T_=25°C)=q/(ΔPQ)。此处选择芯片温升为25℃时工况计算相应热沉的COP值，如图9所示。可以看出在所有热沉中交错肋微通道的综合性能最佳，方肋微通道的综合性能最差。热点为R2时交错肋微通道热沉相比于方肋微通道COP值增加12.0%。热点为R4时，交错肋微通道热沉的COP值在1800 μl/min和2700 μl/min流量条件下分别比方肋微通道增加了14.1%和10.0%。这说明交错肋这种将肋片布置在侧面固体鳍的方式可以以更小的泵功实现更多热量的冷却。

图9 不同微通道热沉温升为25℃的COP对比Fig.9 Comparison of COP for different microchannel heat sink temperature rise to 25℃

4 结论

本文以水为工质对具有圆肋、方肋、交错肋等不同肋片结构形式的微通道热沉在热点下的流动及换热性能进行了实验研究，探究了肋片结构、热点位置等因素对热沉换热的影响。主要结论如下。

(1) 各微通道的换热性能随着流体流量的增加而逐渐强化，方肋微通道由于对流体强烈的扰动效应换热效果最佳；但是中心方肋布置迫使流体从两侧扰流造成巨大的压力损失使得其流动阻力最大。

(2) 与方肋通道和圆肋通道相比，交错肋微通道的流动阻力更低，在Reynolds数为98.3时其压降比方肋微通道下降了22.8%，但是交错肋片可以更好地打破通道侧壁的边界层发展使得其换热性能与圆肋通道相近。

(3) 由于热沉纵向高度与整体长度的巨大差异，热量更多的是被热点附近的微通道经过强烈的对流换热过程所携带走，因此热点的位置变化对热沉最高温度的影响十分微弱。

(4) 交错肋将肋片布置在侧壁的方式可以更直接地破坏边界层发展，从而使热沉以较低的泵功实现更大的热量冷却，综合性能最高提升14.1%。

引用本文：陈超伟, 柳洋, 杜文静, 李金波, 史大阔, 辛公明. 局部热点下微肋通道流动传热特性[J]. 化工学报, 2024, 75(9): 3113-3121 (CHEN Chaowei, LIU Yang, DU Wenjing, LI Jinbo, SHI Dakuo, XIN Gongming. Flow and heat transfer characteristics of micro ribs channel with local hot spots[J]. CIESC Journal, 2024, 75(9): 3113-3121)

第一作者：陈超伟（1996—），男，博士研究生，17853141067@163.com

通讯作者：辛公明（1977—），男，博士，教授，xingm@sdu.edu.cn

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzkwMjI2NzAyOA==&mid=2247555215&idx=1&sn=e52b16de9afb016f96e47a1ad870a474

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