（微电子学与固体电子学专业论文）基于mems加工工艺的复杂结构微通道散热器研究.pdf

上海交通大学博士学位论文 基于m e m s 加工工艺的复杂结构微通道散热器研究 摘要 从宏观器件的微小型化到功能化微小型器件的独立开发，结构的微型化使器件 内部的物质和能量输运均受到了微小空间的限制，这使得部分高功率器件面临功率 过高所带来高能量及快速热输运问题。另一方面，在微电子领域，随着芯片上器件 集成度的快速增长，由微电子器件温度敏感性所带来的芯片热控制问题也不断突显。 而具备高效率散热优势的微通道散热器为上述微小空间内的散热问题提供了良好的 解决方案。 传统的微通道散热器由平行排布的微通道散热单元组成，通过内部工质以强迫 对流的方式散逸被冷却器件的热量。伴随着m e m s 技术的不断成熟和发展，将m e m s 技术应用于解决微小机构在特定时间和空间尺度范围内的热控制问题，使得微型化 散热器件在散热性能和结构适应性方面得到了极大的提升和拓展。微通道散热器结 构在经历了传统平行排布微通道结构布局后，开始出现许多变化的复杂结构形式。 与此同时，这一趋势使得微通道散热器的设计理念获得了更多深层次的探讨和研究。 也同时为研究不同微通道结构形式下的流动及传热机制问题提供了更多的实验经 验。 本文基于传统的微通道散热器结构和m e m s 技术优势，提出了一种复合短程横向 过流次级通道阵列和薄层散热板结构的新型复杂微通道散热器设计。在靠近热源器 件的散热板下表面使用短程横向过流次级通道阵列一方面缩短了热源到工质的热传 输路径，提高了散热效率；另一方面较短的通道长度使内部工质入口段在通道中所 占比例提高，有效利用了工质入口段具有较高散热效率的优势；此外，与传统器件 相比较，在纵向通道基础上引入该通道阵列增大了工质与散热板之间的热交换面积， 创造了与工质高效热交换的良好条件。采用薄层散热板的设计为整体散热器提供了 低阻传热通道，削弱了散热板对材料热导率的高要求。上述短程横向过流次级通道 和薄层散热板结构相结合形成了本文新型微通道散热器的创新设计方法。本文同时 运用a n s y s 和c f x 软件对创新方案与传统设计的关键性能进行了比较分析，确认了 设计思想的合理性；在此基础上充分发挥m e m s 技术在复杂微结构和多种材料兼容制 造方面的优势，采用硅与非硅微加工技术相结合的集成制造流程，研制了新型微通 道散热器样品，并搭建了红外测试平台对其进行了初步表征。 摘要 在传统结构和新型结构的仿真比较分析中，新型结构在所采用的工况条件中都 具备了较优的散热性能。实验测试表明，新型结构的微通道散热器在低工质流速 6 7 9 m l m i n 时，其整体热阻为1 8 7 。c w ，当工质流速增大至8 0 0 m l m i n 时，仿真预 测的散热器整体热阻值低至0 0 9 。c w 。基于仿真方法对上述结构进行了进一步的研 究分析，在原有结构基础上加入了背面散热增强通道结构。通过参数化仿真方法， 对不同结构参数下的微通道散热器进行了散热性能研究。分析发现对于微小空间的 微通道散热器而言，通道结构几何参数的变化对整体微通道散热器散热性能的影响 要小于拓扑变化所带来的影响。 本文同时研究了复杂结构微通道散热器所涉及的m e m s 工艺技术，确定了合适的 工艺方案和工艺参数，选用合适的材料，涉及的基本工艺包括溅射、电镀、光刻、 刻蚀、共晶键合技术等，并根据器件设计和实验要求，改进了一些常规工艺以保证 器件的成功制作。 关键词：微通道散热器，微通道，m e m s ，a n s y s ，c f x ，共晶键合 上海交通人学博十学位论文 i n v e s t i g a t i o no fm i c r o c h a n n e lh e a t s i n kw i t hc o m p l i c a t e dc h a n n e l s t r u c t u r eb a s e do nm e m st e c h n o l o g i e s a b s t r a c t w i t ht h et r e n df r o mt h em i c r o m i n i a t u r i z a t i o no fm a c r od e v i c e st ot h e i n d e p e n d e n te x p l o i t a t i o no fm i c r od e v i c e s ，d i m e n s i o no fd e v i c e sa r eb r o u g h ti n t os m a l l s p a c eb ym e m st e c h n o l o g i e s t r a n s i t i o no f m a t t e ra n de n e r g yi nd e v i c e sa r el i m i t e dd u e t om i c r o m i n i a t u r i z a t i o no fs t r u c t u r e s ，w h i c hr e s u l t si nd i f f i c u l t i e so fh e a tt r a n s f o r m a t i o ni n d e v i c e sw h o s ep o w e rc o n s u m p t i o na r es oh i g h o nt h eo t h e rh a n d ，i nt h em i c r o e l e c t r o n i c s f i l e d ，谢t 1 1t h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ei n t e g r i t yo ft h ed e v i c e si nt h ec h i p ，t h ep r o b l e mo f h e a tm a n a g e m e n to fc h i p sd u et ot e m p e r a t u r es e n s i t i v i t yo fm i c r o e l e c t r o n i cd e v i c e s b e c o m em o r ea n d m o r ei m p o r t a n t m i c r o c h a n n e lh e a t s i n kw i t hh i g hh e a tt r a n s f e r e f f i c i e n c yp r o v i d e sa ne f f e c t i v es o l u t i o nf o rt h ep r o b l e mm e n t i o n e da b o v e t r a d i t i o n a lm i c r o c h a n n e lh e a ts i n kc o m p r i s e so fp a r a l l e lm i c r o c h a n n e l s h e a t f r o mt h ec o o l e dd e v i c ei st r a n s f e r r e dt ot h ec o o l a n tw i t hf o r c e dc o n v e c t i o n w i t ht h e d e v e l o p m e n to fm e m st e c h n o l o g i e s ，a p p l y i n gm e m st e c h n o l o g i e st os o l v et h ep r o b l e m o fh e a tm a n a g e m e n ti nm i c r os y s t e mi m p r o v e st h es t r u c t u r ea d a p t a b i l i t ya n dh e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c so fm i c r o c h a n n e lh e a ts i n ka n dt h es t r u c t u r eo fm i c r o c h a n n e lh e a ts i n k b e c o m ec o m p l i c a t e dc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ls t r u c t u r e an o v e lm i c r o c h a n n e lh e a t s i n kw i t hs h o r td i s t a n c et r a n s v e r s ec h a n n e la r r a ya n d t h i nh e a ts p r e a d e rw a si n v e s t i g a t e db a s e do nt h et r a d i t i o n a ls t r u c t u r ea n dm e m s t e c h n o l o g i e s t h et r a n s v e r s ec h a n n e l sn e a rt ot h eh e a ts o u r c ep r o v i d eas h o r th e a tt r a n s f e r p a t h s h o r td i s t a n c eo f t r a n s v e r s ec h a n n e lm a k e sm o r ec o o l a n tu n d e rt h ed e v e l o p i n gs t a t u s ， w h i c hi n c r e a s e st h eh e a tt r a n s f e re f f i c i e n c y c o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a ls t r u c t u r e ， t r a n s v e r s ec h a n n e la r r a y si n c r e a s et h eh e a te x c h a n g ea r e ab e t w e e nt h ec h a n n e la n dc o o l a n t o nt h eo t h e rh a n d ，u s i n gt h i nh e a ts p r e a d e rp r o v i d e sah e a tt r a n s f e rp a t hw i ml o wt h e r m a l r e s i s t a n c e t h en o v e ls t r u c t u r ec o m b i n e dt h et r a n s v e r s ec h a n n e la r r a ya n dt h i nh e a t i i i a b s t r a c t s p r e a d e rt of o r man o v e ld e s i g n t h ek e yh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e so ft r a d i t i o n a la n d n o v e ls t r u c t u r ea r ec o m p a r e de m p l o y i n ga n s y sa n dc f xs o f t w a r ep a c k a g e s t h e r e l a t i v ea n a l y s i sc o n f i r m st h er a t i o n a l i t yo ft h ed e s i g n m a k i n gu s eo fs u p e r i o r i t yo f m e m st e c h n o l o g i e so nc o m p l i c a t e ds t r u c t u r ef a b r i c a t i o n a n dd i f f e r e n tm a t e r i a l s c o m p a t i b i l i t y , as a m p l ew i t hn o v e ls t r u c t u r ew a sm a n u f a c t u r e db yi n t e g r a t i n g t h es i l i c o n a n dn o n s i l i c o nm i c r o f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g i e s at e s ts y s t e mi n c l u d i n gi r ( i n f r a r e d s p e c t r a ) d e t e c t o rw a s s e tu pt os h o wt h ea b e c e d a r i a nc h a r a c t e r i s t i c so ft h en o v e l m i c r o c h a n n e lh e a ts i n k t h en o v e ls t r u c t u r eh a dm o r ee f f i c i e n th e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c et h a nt r a d i t i o n a l s t r u c t u r eu n d e ra 1 1o ft h ec o n d i t i o n se m p l o y e di ns i m u l a t i o n t e s t ss h o w e dt h a tt h et h e r m a l r e s i s t a n c eo ft h en o v e ls t r u c t u r ew a sa b o u t1 8 7 。c ww i mt h el o wc o o l a n tv e l o c i t y 6 7 9 m l m i n w h e nt h ec o o l a n tv e l o c i t yi n c r e a s e dt o8 0 0 m l m i n ，t h er e s u l to ft h e s i m u l a t i o ns h o w e dt h a tt h ew h o l et h e r m a lr e s i s t a n c ew a sd o w n t o0 0 9 1c 隔b a s e do nt h e a b o v es t r u c t u r e ，ah e a te n h a n c e m e n te l e m e n tw a sa d d e da tt h eb a c ko ft h es u b s t r a t e a p p l y i n gt h ep a r a m e t e rs i m u l a t i o nm e t h o d ，s i m u l a t i o n so ft h em i c r o c h a n n e lh e a ts i n k 、析t hd i f f e r e n ts t r u c t u r ew e r ep e r f o r m e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ee f f e c to fd i m e n s i o n s o ft h em i c r o c h a n n e l so nt h eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c sw a si n c o n s p i c u o u sc o m p a r e dw i t h t h ee f f e c to fc h a n n e lc o n f o r m a t i o n t h er e l a t e dm i c r o m a c h i n i n gt e c h n o l o g yh a sb e e ns t u d i e df o rm i c r o c h a n n e lh e a t s i n kw i t hc o m p l i c a t e ds t r u c t u r e p a r a m e t e r sa n dm a t e r i a l sh a v eb e e ns e l e c t e d t h eb a s i c m i c r o m a c h i n i n gt e c h n o l o g i e s w e r eu s e d i n c l u d i n gs p u t t e r i n g ，e l e c t r o p l a t i n g ， p h o t o l i t h o g r a p h y , e t c h i n ga n de u t e c t i cb o n d i n g i no r d e rt o e n s u r et h ed e v i c e sb e i n g f a b r i c a t e ds u c c e s s f u l l y ，s o m en o r m a lm i c r o m a c h i n i n gt e c h n o l o g i e sh a v eb e e nm o d i f i e d a c c o r d i n gt ot h ed e s i g na n da c t u a lr e q u i r e m e n t k e yw o i m s ：m i c r o c h a n n e lh e a ts i n k ，m i c r o c h a n n e l ，m e m s ，a n s y s ，c f x ， e u t e c t i cb o n d i n g i v 上海交通大学博上学位论文 符号说明 热流量( w ) 温度( 。c ) 温度( k ) 厚度( m ) 对流换热系数( w ( m 2 k ) ) 壁面表面积( 1 2 ) 热导率( w ( m k ) ) 传热系数( w ( m 2 k ) ) 通道的截面面积( m 2 ) 通道的截面边周长( m ) 特征尺寸( m ) 整体热阻( w ( m k ) ) 传导热阻( w ( m k ) ) 散热板热传导面积( m 2 ) 散热板热导率( w ( m k ) ) 散热板厚度( m ) 工质吸收热阻( w ( m k ) ) 质量流量( k g s ) 比定压热容( j ( k g k ) ) 工质对流换热热阻( w ( m k ) ) 工质对流换热接触面积( m 2 ) 微通道散热器与被冷却器件界面热阻( w ( m k ) ) 流速( r r g s ) 葺只z 方向速度分量( m s ) 压力( p a ) 密度( k g m 3 ) 动力粘度( p a s ) 普朗特数 e ，r 万 以a 七s 彳 。 岛 m 印铂v p p n 办 符号说明 运动粘度( m 2 s ) 热扩散率( m 2 s ) 通道氏度( m ) 雷诺数 核心无粘区流速( m s ) 流动入口段长度( m ) 热入口段长度( m ) 管径( m ) 毕渥数 微通道散热器长度( um ) 主通道长度( 1 am ) 分通道长度( 1 1m ) 横向通道长度( pm ) 微通道散热器宽度( um ) 主通道宽度( um ) 分通道宽度( 1 am ) 横向通道宽度( i lm ) 硅基底高度( 1 lm ) 铜散热板高度( 1 am ) 主通道高度( um ) 分通道高度( um ) 横向通道高度( um ) 外围空气体温度( k ) 笛卡儿坐标 热通量( w m 2 ) 工质下标 同体下标 气体下标 出口下标 入口下标 v 口 胎 以 历 厶 ， 彤 ， 乙 。 厶 w 毗 幻 协 亿 训，g厂 s g 似 切 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 穆红 醐：吁彻 上海交通大学博士学位论文 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、便用学位论文的规定，同葸学校保留并向国冢有关 部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名： 呜枷 日期：汐罗牮印月目 | 月l 日 上海交通大学博士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 1 9 5 9 年诺贝尔物理学奖获得者r i c h a r de f e y n m a n n 在他的预言性演讲“t h e r e sp l e n t yo f r o o ma tt h eb o r o m ”中展望了制造技术的两大发展途径：从宏观到微观 ( t o p d o w n ) 和从最小构造模块的分子开始进行物质构筑( b o t t o m u p ) 1 】。其中 从宏观到微观( t o p d o w n ) 的思想在之后数十年飞速发展的微电子机械系统 ( m e m s ：m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 技术中得到了体现。微电子机械系统 技术是对半导体集成电路工艺技术的延伸和发展，是微电子技术与机械、光学、生 物、材料等众多领域交叉结合的产物。其借助标准i c 工艺以及基于此发展的体硅 加工，表面硅加工、l i g a ( 德语l l t h o g r a p h i eg a l v a n o f o r m u n ga b f o r m u n g 的缩写) 及电子放电加工等新型微加工工艺实现微型传感器、微型执行器、信号处理以及控 制电路、接口电路、通信系统和电源集于一体的微系统。 从宏观器件的微小型化到功能化微小型器件的独立开发，m e m s 技术将器件 带入到了一个有限的微小空间内，结构的微型化使器件内部的物质和能量输运均受 到了微小空间的限制，这使得部分高功率器件面临功率过高所带来高能量及快速热 输运问题。另一方面，在微电子领域，随着芯片上器件集成度的快速增长，由微电 子器件温度敏感性所带来的芯片热控制问题也不断突显。 1 9 8 1 年t u k e r m a n 和p e a s e 针对高热流密度微电子冷却问题，提出了最早的微 型化散热器件微通道散热器【2 】。微通道散热器由平行排布的核心散热单元微通 道组成，通过内部流过的流体( 工质) 以强迫对流的方式散逸微电子器件的热量。 t u c k e r m a n 和p e a s e 指出：直接加工在高功率微型器件基底背面的微通道散热器在 使用去离子水作为冷却工质时，可以移除器件所产生的大部分热量，并保证器件的 温升在很小的范围内变化。t u k e r m a n 和p e a s e 在实验中使用m e m s 工艺中的体硅 微加工方法加工制作了硅基微通道散热器。与传统工艺相比较，这种加工方法保证 了通道粗糙度在1um 内，并且可以实现与微电子器件的集成。作为最早出现的 微型化散热器件，微通道散热器成为众多微器件冷却问题的解决方案。微通道散热 器的微通道结构在微型化散热器件中保留了其作为散热核心结构的功能。尽管微型 第一章绪论 化的散热器件在结构形态上与微通道散热器有着整体差异，但却仍然可以理解为是 微通道散热器结构的延伸。 伴随着m e m s 技术的不断成熟和发展，将m e m s 技术应用于解决微小机构在 特定时间和空间尺度范围内的热控制问题，使得微型化散热器件在散热性能和结构 适应性方面得到了极大的提升和拓展。以上述的微通道散热器为例，微通道散热器 设计中核心的微通道结构及布局形式在早期的研究中基本上沿用了平行排布矩形 截面微通道阵列的设计原型。复杂微通道结构及布局由于计算方法以及制作加工手 段的限制受到了十分有限的重视。伴随着m e m s 技术的发展，微通道散热器结构 在经历了传统平行排布微通道结构布局后，开始出现许多变化的复杂结构形式，微 通道从截面形式、通道布局、通道尺寸等方面出现了不同形式的变化，使许多宏观 的散热器理念得以微型化实现和验i i e 3 8 。与此同时，这一趋势使得微通道散热器 的设计理念获得了更多深层次的探讨和研究。也同时为研究不同微通道结构形式下 的流动及传热机制问题提供了更多的实验经验。 1 2m e m s 技术 微电子机械系统是微电子技术与机械、光学等许多研究领域结合的产物，是集 微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于 一体的微型系统 9 】。m e m s 技术的产生与发展开辟了一个全新的技术领域，它与不 同的技术相结合，便会产生一种新型的m e m s 器件。它的应用主要在光学领域、 运输与航空航天领域、汽车领域、科学仪器领域、生物、医学的生物芯片技术领域。 如今，m e m s 技术成为世界范围内研究领域上最活跃、市场增长最快的技术之一。 m e m s 技术主要包括材料、制作工艺、设计技术和测试封装技术，其中微细 加工技术是制作微电子机械系统的关键技术。m e m s 技术借鉴了i c 的基础工艺， 使机械器件系统的微型化、集成化加工成为可能，实现了批量加工，提高了性能价 格比。m e m s 本质上是由三维微结构机械组成的系统。因此，三维微加工技术成为 m e m s 制造的重要环节。目前制造m e m s 的主要工艺包含了硅微加工和非硅微加 工两个体系。其中硅微加工主要包括与i c 工艺有较好兼容性的表面硅微加工和通 过对硅基体腐蚀力h - r _ 来实现器件立体结构的体硅微加工技术。体硅微加工技术是 m e m s 技术中最成熟的微加工工艺之一，它是按照设计图形在硅片( 或其他材料) 上有选择地去除一部分材料，形成微机械结构的工艺，已广泛应用于硅微加速度器、 2 上海交通大学博士学位论文 流体传感器、墨水喷嘴和微阀等器件的制作中。表面硅微加工技术在硅片上连续生 长功能层、结构层、牺牲层，借助多次光刻一套刻实现图形复制和层间对准，依靠 牺牲层技术控制结构的分离与衔接，硅片本身并不被刻蚀，是一种平面加工或准三维 加工工艺，适用于制作厚度几至几十微米和深宽比为几至十几的微机械结构。非硅 微加工同样也包含了表面微加工和体加工，只是所适应的材料有了更多的变化，非 硅微加工工艺通过微电铸、干湿法刻蚀、牺牲层释放等微加工工艺实现了多种金属 及有机材料在m e m s 器件中的应用。 1 3 微通道散热器研究进展 1 3 1传统结构微通道散热器研究进展 t u c k e r m a n 和p e a s e 于1 9 8 1 年提出了最早的微通道散热器结构 2 】。在最初的 工作中，冷却工质在层流状态下，热传输系数与通道的宽度成反比。与此同时，通 过微通道的质量流流速随着通道宽度的减小而减小。对流换热热阻和工质热容热阻 随着通道宽度的减小分别变大和减小，这意味着对于整体热阻而言存在一个以通道 尺寸为基础的最优值。此外，通过使用肋片效率( 肋片的实际散热量与理想散热量 的比值) 计算出了肋片上的温度分布。t u k e r m a n 和p e a s e 的设计方法包含了给出最 优化的热阻性能和在固体材料、冷却工质材料、肋片效率、整体散热器尺寸、工质 通过肋片阵列的压降以及确定深宽比通道内的努塞尔数一定的前提下的最优通道 几何尺寸。他们同时设计了一种使用水作为冷却工质，在冷却工质通过通道压降为 恒定3 0 p s i 时设计热阻为0 0 8 6 侧的硅基微通道散热器。并制作和测试了三种不 同尺寸的微通道散热器，其中一个被冷却器件在热通量7 9 0 w c m z 工作时相对于环 境温度的温升为7 1 。实验获得的热阻值为0 0 9 * c w ，与分析值十分接近。t u k e r m a n 和其他研究者后续的研究工作都以此设计方法和原理作为基础，并使用其设计用来 封装和冷却高功率电子元件的微通道散热器【2 ，1 0 ，1 1 。 19 8 8 年起，t u k e r m a n 开始了与s t a n f o r d 大学和l a w r e n c el i v e r m o r e 合作伙伴 们对于冷却高功率电子器件( 尤其是其在激光二极管和x 一射线单色晶体管) 的层流 态微通道散热器的研究，并发表了许多文献 1 1 - 2 1 】。设计多沿用了t u c k e r m a n 和 p e a s e 早先使用的方法，代表性的给出了通道尺寸、材料、工质压降以及流速、制 作方法和整体的热阻。在后来的几年里，来自s t a n f o r d 大学和l a w r e n c el i v e r m o r e 3 第一章绪论 的研究者给出了一种用于二维激光二极管阵列的硅基层流微通道散热器 1 0 ， 1 3 1 9 。这个设计的通道尺寸、散热器材料、通道布局和工质压降与之前的报道基 本相似。但其提供了与其适用的喷射式冷却器相比较低的热阻；其次制作基于较成 熟的各向异性体硅加工工艺；并且基于对实现被冷却器件有效散热所需的工质流动 耗能的考虑，其工质层流状态与湍流态器件相比具有固有的优势 1 7 。在其中的一 篇文章中 1 8 】，研究者还指出：层流态器件与湍流态器件相比具有优势是因为它不 会带来额外的振动，但对此理论研究者没有进行实验验证。之后的研究讨论了 t u k e r m a n 和p e a s e 在微通道散热器方面的一些进一步研究。其中指出了层流态器件 在给定压降和工质输送功率的前提下，并不总能够提供最低的热阻性能。 1 9 8 7 年，p h i l l i p s 公司基于t u k e r m a n 和p e a s e 的微通道散热器设计进行了进一 步的研究，并发表了关于强迫对流、液体冷却和微通道散热器的文献 2 2 ，并在其 论文的压缩版本里 2 3 ，2 4 1 概括地论述了一种方法用于获得微通道散热器整体热阻 和相关变量之间的函数关系。p h i l l i p s 同时拓展了固定压降下特定的工质流速，研究 了不同泵功下的流速变化。并编写了m i c r o h e x 程序用于计算流体和热传输控制 方程从而获得热阻和散热器热和物理性质之间的函数关系。使用程序计算了使用水 作为冷却工质的硅基微通道散热器模型( 通道和肋片宽度比值为1 ，深宽比4 ，基 底厚度1 0 0l am ，通道长度1 0 c m ) 在工质压降为2 0 p s i ，热通量为0 工况下的流体 和热传输控制方程。并给出了热阻以及工质输入泵功随通道宽度变化的关系，其 中：工质的对流和热容热阻项是决定整体散热器热阻的主要因素；相对于完全发展 流而言发展流具有更好的散热性能；当通道的宽度足够大时，湍流态微通道散热器 散热性能要优于层流态散热器。p h i l l i p s 在其分析中对不同的参量进行了分析。这些 参量包括：入口和出口的热损失；散热器的材料和工质；加热速率和工质入口温度； 几何尺寸( 肋片和通道宽度比值，通道高度，通道深宽比和基底厚度) ；工质流速 约束。除了入口和出口的热损失以外，在层流状态下，对于较小的微通道尺寸，其 他几点对热阻都有较明显的作用，而在湍流状态下，则对较大尺寸的微通道，其他 几点对热阻具有较明显的作用。p h i l l i p s 还讨论了利用通道入口段发展流来提高散热 效率的方法。可以通过在流动方向上插入肋片，或者使用通道错排的方法实现对通 道入口段的利用。并指出在工质流动方向上阻断肋片利用通道入口段效应提高散热 效率的同时通道基底和肋片前端和后端的热传输作用被削弱，整体的散热效率究竟 是否被提高还很难定论。 4 上海交通大学博上学位论文 l i n c o l n 实验室的j a m e sw a l p o l e 和他的合作伙伴在1 9 8 8 年发表了他们在二维 激光阵列表面所使用的表面散热方法 2 5 】。起初的设计沿用了t u k e r m a n 和p e a s e 的 设计方法，在硅基底上直接制作了宽1 0 0 塾m ，深4 0 0l am 的凹槽，使用水作为冷却 工质。在之后的文献中报道了对散热器的优化和进一步的应用 2 6 3 0 】。独立的散热 器被焊接在激光二极管阵列的背部。整体散热器热阻值大约是t u k e r m a n 和p e a s e 制作的散热器【2 】的一半。在m i s s a g g i a 等人发表的文献中报道了在设计的微通道散 热器中出现的湍流散热状态 2 8 】。由测量的冷却工质流速和通道几何尺寸以及通道 内的平均流速得到平均雷诺数大约为2 0 0 0 ，这个值接近从层流到湍流之间的过渡流 所对应的雷诺数。d o n n e l l y 在1 9 9 0 年的“l i n c o l nl a b o r a t o r yj o u r n a l 中对m i s s a g g i a 等人的工作进行了更为详细的研究。 由1 w o n at u r l i k 和a r n o l dr e i s m a n 领导的北卡罗来纳州微电子中心实验小组设 计了一种用于晶片级多芯片封装的硅基微通道散热器3 1 - 3 5 。设计给出了两种尺寸 的通道，其中一种浅通道用于产生工质层流态，而另一种深通道用于产生工质湍流 流态。水冷却的通道假定由硅的碳化物制作，仿真模型在几组不同的参数值下进行 计算，其中包括通道宽度，通道间距。而最终的尺寸选择则由温升值和基底的温度 均匀性来决定。工质湍流态的通道散热器性能要远优于工质层流态的通道散热器。 比较这两种散热器在同一冷却工质和相同工况下的散热器性能十分有意义。用仿真 分析的办法可以给出在入1 2 1 工质温度分别为1 1 4 和1 9 ，芯片功率为4 0 w c m 2 的工况下，层流态和湍流态散热器冷却的芯片上的最大温升。m c n c 小组设计，制 作，测试了两个用于大小为l c m l c m ，3 3 晶片级芯片阵列冷却的铜基微通道散 热器 3 1 】。通过调节不同散热器通道的工质压降以保证两种设计的平均线性工质速 率相同。实验结果表明两种散热器的性能没有十分明显的区别。在之后的文献报道 中【3 3 ，d a r v e a u x 等人研究了一个与第一个设计相类似的用于冷却大小i e m l c m ， 5 5 芯片阵列的微通道散热器。通道结构设计用于实现工质的湍流态。首先研究了 芯片间薄膜电阻的发热情况和其在循环过程中倒装芯片的疲劳时间。整体器件和工 质水之间基于2 5 c m 2 加热面积的热阻为0 0 1 6 0 c w 。在n e p c o nw e s t1 9 8 9 1 3 4 中给 出了这些作者前期的工作的综述，其中介绍了其他方面的多芯片封装，包括可变形 的散热器、信号传输以及对几种重要材料的考虑。最后的一篇文献 3 5 给出了m c n c 多芯片封装设计的稳态和瞬态热应力分析。 1 9 9 1 年，a u b u r n 大学的k n i g h t 等人发表了他们第一篇描述用于获得强迫对流 第一章绪论 换热散热器优化尺寸方法的文章。他们使用了四组无量纲参数。在第一篇文献中指 出 2 0 ，当给出这四组无量纲参数值，并给出无量纲压力项和无量纲工质流速项中 的任意一项，即可获得使热阻成为最小值的唯一的肋片数和通道肋片宽度比值。当 设计中使用与之前设计相比的新的优化方法时，3 0 的热阻降低可以通过设计单一 肋片厚度和通道宽度的比值，而不是其与整体通道宽度比值，或者设计当工质为湍 流态时通道的宽度来实现。另一个重要的结论是，当无量纲的压降项较低为 - - 1 0 8 ， 优化值出现在工质层流状态下，而当其值较高为1 0 1 2 ，最低的热阻出现在工质湍 流状态下。在实际应用中，这个结论中的前种情况出现在一个以空气作为工质的铝 制换热器中，而后种情况则出现在一个以水作为工质的硅基散热器中。在后续的文 章中 3 6 】，k n i g h t 等人继续改进了他们的优化方法将工质发展流效应以及更多先进 的流体热传输关系包含了进来。 a u b u r n 大学的研究小组给出了工质湍流态下优化设计的实验验证【3 7 】。他们设 计，制作，测试了三个同样尺寸的铝制微通道散热器，使用空气作为工质，保证工 质在通过不同的肋片阵列时压降相同，并测定了每个散热器的热阻值。其中最优化 的设计包含9 个肋片，而其余两种则因过多或过少的肋片数使得其热阻值分别比最 优设计多出了1 9 和1 3 。在上述基础上所作的进一步研究发表在之后的两篇文 章中。第一篇文章由h i n g o r a n i 等人发表，文章给出了如何确定冷却器件和肋片底 之间合适间距的方法 3 8 】。对于一个侧面面积与用于冷却其的微通道散热器侧面面 积相当的器件而言，在某些情况下，存在一个使器件和微通道散热器之间热阻最小 化的器件和肋片底之间的间距范围。这个概念与众所周知的辐射导热对流系统的隔 离层厚度优化理论相似。研究的结果表明，对于在典型空气冷却器件的系统中所应 用的几何尺寸、材料和热传输系数而言，当散热板的厚度等于宽度的一半时，散热 器热阻减小后的值和原值的比等于散热板面积和器件面积的比值。1 9 9 3 年他们在 a s m e 国际电子封装大会上发表的文献给出了一个包含有限散热板厚度的微通道 散热器设计通用方法 3 9 】。相关的文献指出了怎样将k n i g h t 的优化方法和h i n g o r a n i 的散热板厚度优化结果相结合，设计间接式微通道散热器的方法。并给出了风扇空 气冷却的平行分布多电子元件设计举例。之前的设计将通过肋片阵列的工质压强、 工质流速或泵功中的一项认定为常数，而实际中工质在输运中的体积流速值是工质 通过冷却器件压降的函数。h i n g o r a n i 等人，第一次在设计中应用了这个关系。设 计给出了对应于给定风扇泵曲线中一个点的工质压降和流速而言的优化解。使用这 6 上海交通大学博士学位论文 种方法设计给出的传热性能与i n t e l1 4 8 6 微处理器散热系统提高了3 7 。a u b u r n 大学的实验小组后来又进行了验证工质湍流态微通道散热器比固定工质压降层流 态优化设计更加高效的实验。进一步而言，经由电脑程序验证的优化方法还需要实 验的验证，并且为了满足实际工程微通道散热器使用的要求，还需要提取一系列的 设计曲线。 n t t 实验室和日本东北大学两个实验小组将其关于微通道散热器的工作发表 在不同的刊物上。由东京n t t 的t o b mk i s h i m o t o 带领的第一个实验小组，在1 9 8 6 年发表了三篇关于散热器内使用的微型结构的文章。其中第一篇报道了一个以水为 工质微通道散热器内通道宽度优化设计的实验及仿真结果 4 0 】。通道和肋片宽度比 固定为1 ，肋片高和通道长度固定，工质流态为层流态。研究者制备了四个样品， 在二种不同的压降下对样品进行了测试，推论性的获得了热性质的优化值。在后来 发表的文章中，k i s h i m o t o 和o h s a k i 给出了一种使用以水作为工质的硅基微通道冷 却封装整体v l s i 的设计方法及其相关的论j a t 4 1 。微通道散热器的设计同时考虑 了工质层流态和湍流态。研究获得了对流热阻在固定肋片高度( 4 0 0i xm ) 下相对于 通道宽度的函数曲线，同时得到了对流热阻的最大值，但是没有得到最小值。这里 没有考虑热阻的热容部分。为了保证工质在流动中充满通道，满足工质净流关系， 选择了8 0 0um 作为通道宽度，实际中当通道宽度大予这个值时，散热器热阻降低 已趋于稳定。设计中的雷诺数保证了工质为层流态。实验验证中使用了5 5 阵列 的芯片。在第三篇文章中，作者使用了金刚石基的微通道制作微通道散热器来提高 散热器性能和降低工质入口和出口之间的温升值 4 2 】。这种结构使用了传统的冷却 肋片，其中通过特殊的结构有规律的重复热边界层来降低热边界层热阻。插入的切 口构成三通通道结构，实现了入口和出口的流线型工质流，这种结构与平直肋片结 构相比降低了工质流动中的压降损失。在假定只有肋片表面均匀受热，等效截面入 i ：i - v 质流速和温度均匀，以及工质层流态的前提下进行了二维数值分析。如所预料 的一样，冷却工质的温升与第一篇文章里所设计的传统肋片结构相比降低了大约四 倍。另外一个由t o h o k u 大学t s u b o u c h i 教授带领的实验小组，对由氮化铝散热板， 硅基底，铜基微通道散热器组成的1xl c m 2 v l s i 封装系统进行了有限元分析【4 3 ， 4 4 】。分析表明这种散热板间接散热系统性能要优于t u k e r m a n 和p e a s e 的设计。所 计算的雷诺数保证了工质为层流态。 s p e r r y 公司的g o l d b e r g 制作并测试了三种空气强迫对流冷却的微通道散热器 7 第一章绪论 【4 5 1 。每个散热