微热管在电子器件冷却中的应用

摘要：电子器件冷却问题是电子器件热设计中的一个关键问题。简单介绍了几种目前最新颖的微热管在高热流密度电子器件冷却中的应用，包括平板热管、圆棒热管和电流体动力热管。并对某些前沿的研究现状进行概述，指出了下一步的研究趋势，希望能引起国内同行的关注。
关键词：微热管；电子器件；冷却

1 引言
    电力电子装置正向着功能越来越完善而体积越来越小的方向发展，在电力电子装置内部产生的高热流密度对装置的可靠性造成极大威胁。对电力电子装置失效原因的统计表明，由于高温导致的失效在所有电子设备失效中所占的比例大于50％，传热问题甚至成为电力电子装置向小型化方向发展的瓶颈。微热管则是随着微电子技术的发展而发展起来的一门新兴技术。随着电子元件集成密度的增加，其产生热量的散逸变得困难。电子元件除了对最高温度有要求外，对温度的均匀性也提出了要求。作为一项很有发展前景的技术，微型热管正是应用于电子元件中，以提高热量的导出率和温度的均匀化。由于其尺寸小，可减小流动系统中的无效体积，降低能耗和试剂用量，而且响应快，因此有着广阔的应用前景。例如，流体的微量配给、药物的微量注射、微集成电路的冷却及微小卫星的推进等。
    笔记本电脑CPU的冷却已有相当一部分采用微型热管解决，一般微型热管的直径为3 mm左右，它与现有的风扇加热沉结构相比有明显的优点。针对电子冷却的特定要求，现已开发了重力辅助热管柔性回路热管、平板型电子冷却热管和微型空气对空气换热管等多种微型管。直接埋入芯片硅衬底中的微型热管已经开发，可代替在集成电路中起导热作用的金刚石膜。这种微型热管的体积已小到热管中蒸汽和液体界面尺寸跟热管的水力半径可比的程度。已开发的这种微型热管的稳态计算机模型能计算热管的传热量。但与芯片一体化的热管在实际的工程使用中还很不完善。
    目前的散热是用导热系数很高的金刚石，由于代价很高，正面临替代的问题。为缩小体积，可进行热管和散热元件的一体化设计。针对微电子器件和多芯片组件体积小的特点，开发了一种埋入式微型陶磁热管。在芯片衬底里埋入数个微热管，热管内注水，热管中具有毛细作用的芯是用陶磁材料制成的，轴向开槽，制作工艺与现在的芯片衬底制造工艺完全兼容。
    如图1所示为传统热管示意图，与微热管不同，它是沿轴向从一端到另一端传热，热管的主体部分作为一个绝热区域把蒸发和冷凝部分分开，长度方向基本可以忽略温度的变化。

    微热管由密闭容器、毛细结构与工作流体构成。将容器抽成真空后，流入适量的工作流体，然后密封。工作流体在容器内维持饱和状态，一旦容器的一端受热，工作流体吸热汽化所产生的蒸汽流向容器另一端放热凝结，而凝结液将因毛细作用力或重力回流至原加热位置。由于热管内的工作流体通过相变传输热量，因而可得到极高的传导系数，达到温度均恒的效果。自Cotter在1984年提出“微型热管”的概念以来，微型热管的结构经历了从重力型、具有毛细芯的单根热管，到具有一簇平行独立微槽道的平板热管，进而发展到内部槽道簇之间通过蒸汽空间相互连通的形式，试图为各种小面积、高热流元件散热提供有效的方法。Plesch和Y.Cao等对几种小深宽比的微槽平板热管进行了实验研究。证实了此种热管有较好的传热能力。FaghriA等针对3个几何尺寸及形状不同的铜-水微型热管进行了研究实验，认为大深宽比的槽道使热管具有更好的传热性能。然而，对于深微槽平板热管，现有的实验数据还很缺乏，对热管传热极限以及其他诸多因素对热管传热性能的影响都有待进一步研究。目前对微热管的研究重点是圆棒热管、扁热管和电极水力热管。如图2所示为圆棒热管的制作工艺。图3是圆棒热管的交叉截面。

2 圆棒热管(Roll bond heat pipe)
    单个或多个热管被嵌到铝板表面是笔记本电脑最通用的冷却形式。然而由于热管和铝板之间不是一体化的，有一定的接触热阻。为了解决这个问题，研制了新型的圆棒热管。这种热管由于没有传统热管的芯体结构(槽道或者丝网)，因此很难确定它的渗透性能和各种毛细限。
    圆棒热管是由两个单独的铝板挤压成的，用空气或工作流体进行胀接，使得这两个铝板能很好地接触，以消除接触热阻，同时降低重量和厚度，在弧型流道中产生毛细效应，能够使流体快速返回，以适应CPU热负荷的变化。目前研究的重点是毛细限的分析、回路的设计优化和热性能的研究。
    圆棒热管在冷却笔记本电脑以及电子元件方面有很大的应用前景。文献[8]提出的模型依据实际有效长度合理地预测了毛细限的范围55 mm~110mm；对不同工致进行了试验，表明R-134a比R-12a的传热性能略好；目前圆棒热管在研究中的优化是25％的体积负荷；试验表明8环线通道设计的热性能最好。目前对它的研究很少，而且，大多都停留在基础理论阶段。

3 平板热管(Flat heat pipe)
    如图4所示为平板热管传播器示意图。平板热管能把热量从集中热源传向大面积区域，在这个区域上，热流密度通过冷凝面积和蒸发面积的比值降低。流体返回是三维流动，热源和散热器在热管的对侧，需要一个复杂的吸液芯结构进行优化。与普通热管相比这种热管传播器具有更大的冷却面积，而且可直接冷却，不需要任何额外的喷水式或强迫空气对流的散热器。由于平板热管质量轻、结构灵活、导热性能极高，所以，广泛应用于太空船热控制、大功率电子元件的冷却和生物医学等领域。平板热管作为衬底，热管不仅是热的传播器，同时还作为机械结构。

    根据吸液芯体的设计和构造，平板热管一般分为两类：一种是用传统的多孔芯结构。如烧结粉末、光纤和筛子网；另一种是用非圆形微通道作为液体的通道。有微通道或轴向槽的平板热管有很多优点，如高热流和低成本。目前的热点研究是要把微槽道和电子元件一体化。
    文献[9]构建了一个二维数学模型来分析瞬态和稳态的扁热管传热性能，这些模型解释了蒸汽核心的压力和在蒸汽区域连续动量和能量方程的耦合。设计了一个稳态的数学程序来求解控制方程，这个程序提高了序列解决方案的标准，解释了在相界面温度、压力和质量流率的敏感性。这个方法对于热量输入和预测上显示和试验结果能很好地吻合。这个模型在文献[10]中用来研究多个分散热源平板热管的性能，通过总结最大液体和蒸汽压降可以确定所需的毛细压降，从而确定吸液芯的核心半径，提供必需的毛细压降，防止干涸。对于已知的核心半径，分析有助于确定干涸的时间和位置，干涸的位置就在毛细压头的最大值处。
    相变材料适用于短暂瞬态和周期性的散热情况，用PCM储能材料替代铜热沉，这样能够降低结点温度，同时节约体积和重量，由于PCM导热性比铝合金要小，多孔铝泡沫填充材料能够提高传热系数。
    文献[12]试验结果表明：热管最大传热能力的影响因素有网眼数目、金属丝直径、网层数、倾斜角度、烧结过程和烧结网芯的紧系数。
    下一步主要研究热管的传热极限，优化蒸发面积，使热量能传到更大的冷却面积上，同时试验结果表明：与沟槽表面相比多孔结构能提供更大的毛细力，开发新型材料在确保密封的同时降低材料热阻，提高导热性能，如何测量加热器下的温度是需要解决的一个问题。
    目前的主要研究目标有4个：
    (1)开发理论模型以预测热管的传热限；
    (2)改进其制作工艺，目前产品的报废率很高；
    (3)确定几何外形和操作参数对传热能力的影响以优化热管的结构设计，根据热力学第二定律的墒产最小进行结构优化；
    (4)强化传热，填充铝和金金属泡沫或者PCM相变材料以降低材料热阻，提高传热性能。

4 电流体动力微热管
    一体化电流体动力微热管示意图如图5所示。由于从冷凝器到蒸发器输送液体有很大的流体粘性损失，因此传统的微热管不能带走电子元件的极大功率密度。文献[13]提出用电极取代毛细芯，结果表明电极能在冷凝器和蒸发器中输送流体，与现存的毛细芯驱动现象相比，其性能较差。文献[14]的试验证明：螺纹槽电流体动力热管驱动流体的传热性能比普通毛细芯热管性能提高了100％。文献[15]表明微热管阵列在传热性能上提高了6倍。对于微热管电场的应用不仅能提高微热管的传热能力，而且已有文献表明，对于瞬态热负荷，电流体动力热管能够对热源提供有效的热控制。

    文献[16]结果表明：应用电场时，与传统微热管不同，工作流体大多集中在微热管的蒸发区域，通过蒸发降低热源的温度，蒸发器中工作流体的数量由电场的长度确定，改变电场长度能够控制蒸发器中工作流体的数量，这样，通过控制电场长度能够灵活地控制带走的热量和温度的需求。能够消除温度的波动，使温度控制更精确。
    电流体动力微热管的主要特征是在蒸发器表面能产生超细薄膜，靠静电体积力来驱动流体。这个装置能降低电子元件的工作温度，提供对敏感元件的温度控制。以MEMS为基础的冷却装置在计算机、生物医学、汽车和宇宙空间等领域有很好的应用前景。文献[181的原型装置的最大冷却能力为65 W/cm2泵压头250 Pa.R-134a为工作流体。
    文献[17]设计了一个可变电极间距的整体微热泵装置，微热管蒸发器和水平面的夹角分别取30°、45°和60°，并对各种情况进行了试验。在过热19℃时的冷却率达到35 W/cm2，电压400 V时的稳态压头为350 Pa，这种小型冷却装置可和背面带冷却装置的小型电子元件接触，能够调节从电子元件带走的热量。

5 结束语
    在综述前人研究的基础上，笔者提出了今后研究的主要思路：
    (1)对材料和元件进行热和受力分析，改进封装工艺：改进微通道的加工工艺，解决堵塞的问题；
    (2)利用神经网络建立热管的振荡特性预测控制，解决设备的疲劳热损坏、局部传热温度变化、局部干涸及振动问题，延长热管的使用寿命；
    (3)综合利用微喷管和微热管，大大增强散热性能。缩小尺寸效应对液体表面张力与相变化的影响，目前普遍采用的是三角形流道，采用多边形通道结构的设计，蜂窝状结构及树状结构设计的仿生优化，对比几种结构的优缺点。在单层微通道换热器趋于成熟的情况下，对双层微通道也进行了研究，目前研究结果表明后者有利于减少压力降，提高芯片温度均匀性，减少热应力。综合多种因素，将功耗最小确定为目标函数，优化结构，为工程的实际应用提供参考；
    (4)按照传统的传热学理论可知，当流体流经通道时，入口段热边界层处于发展中阶段，热边界层较薄，导致了入口段的Nu要远大于充分发展阶段的Nu。鉴于此，可以设计一种新型的带有交错结构的硅基微通道，使其能周期性地中断热边界层，达到强化换热的目的，并与常规的直硅基微通道进行了水的单相发展中层流对流换热的对比实验研究，完善结构设计；
    (5)依据热势能耗散最小分析优化热管的传热，利用场协同原理优化微热管的结构，与目前流行的熵产最小的优化结果进行对比分析，微热管技术如何与其他领域研究相互配合、协同发展是微流动系统研究的另一重要挑战；
    (6)利用热力学第二定律来确定佣的位置，进行熵产分析来优化系统的性能和效率。优化蒸发面积，使热量能够传输到更大的冷却面积上。