新型微通道散热器设计仿真_王艳

第30卷 第1期

2007年2月

电子器件

Ch in es e Jo u rnal Of Electro n Devi ces

Vol. 30 No. 1Feb. 2007

Design and S imulation of a Novel Microchannel Heatsink

WA N G Yan, DI NG Gui -f u , ZH A N G Dong -mei, G U Dong -hua

(N ational K ey L abora tory of N ano/M icro Fabr ic ation T echnolog y , K ey L aborator y of Thin Film and micr of abr ication of M inistr y of

Ed ucation, Institute of M ic ro and Nano S cience and T ec hnology , S hangh ai J iaotong Univ ersity , S hang hai 200030, China)

Abstract:Based on the traditional micr ochannel heat sink, using the heat spreader w ith high heat co nduc -tivity and special m icrochannel arr ay w ith variatio nal cross sectio n areas, an entire steady flow m odel and a short -distance heat transfer m odel o f w orking fluid was r ealized. Applying com mercial FE so ftw are pack -ag e [ANSYS], the flow velocity distribution and temperatur e field of the ty pical heat transfer unit of m-i

crochannel heat sink w as giv en w ith the reference flo w rate 1m /s and the temper ature 283K. The heat flux o f 5 107W/m 2can be dissipated and the total thermal resistance is below to 0. 0106 /W. T he simu -lational result pro ves the initial design concept and illustrates this m icrochannel heat sink w ould hav e g ood w orking perform ance.

Key words:M EMS divice; micro channel heatsink; finite element analysis; Num erical heat tansfer EEACC :0170J; 2575

新型微通道散热器设计仿真

王 艳, 丁桂甫, 张东梅, 顾东华

(上海交通大学微纳科学技术研究院微米/纳米加工技术国家重点实验室薄膜与微细加工技术教育部重点实验室, 上海200030)

摘 要:在传统的硅基微通道散热器原理基础上, 通过采用高热导率的散热板, 以及特殊的变截面微通道阵列, 实现微型散

热器工作流体的整体稳定流动和短程均匀散热工作模式. 采用A N SYS 通用有限元分析软件, 给出了典型换热单元在参考流速1m/s, 温度283K 初始状态下的流速场和温度场, 散热器可输运5 107W/m 2的热通量, 总热阻低至0. 0106 /W. 仿真结果初步验证了设计构想的合理性, 散热器有望拥有良好工作特性.

关键词:M EM S 器件; 微通道散热器; 有限元分析; 数值传热学中图分类号:TK172

文献标识码:A 文章编号:1005-9490(2007) 01-0063-04

片集成加工等优良特性[2-4]. Skidmo re. J. A [5]于2000年提出了一种针对激光二极管的硅微通道散热器, 其通道是由(110) 硅基体各向异性刻蚀形成的

高深宽比硅微结构, 与硅酸盐玻璃分水板键合构成. 这种微通道结构延长了工作流体流程, 拥有变换的流体流向, 有助于克服流体流动方向上存在温度梯度等问题, 进一步提高了微散热器的热交换能力, 为复杂结构微通道散热器研究奠定了良好基础. 随着

随着IC 电路集成度的不断提高, 芯片的热控制成为制约其发展的主要技术瓶颈之一, 在众多的解决方案当中, 微通道散热器被认为是一种较为理想的选择. 最早的微通道散热器由T uckerm an

[1]

于上

世纪80年代初提出, 其结构为简单的平行排布矩形截面微通道阵列, 可承受的热通量负载达到1000W/cm 2. 围绕上述简单设计微散热器的大量研究结果表明, 微通道散热器具有低热阻、高效率、可与芯

收稿日期:2006-03-03

作者简介:王 艳(1980-) , 女, 博士研究生(在读) , 从事于基于M EM S 工艺的微流体器件研究, wy yw @sjtu. edu. cn;

丁桂甫(1963-) , 男, 教授, 博士生导师, 从事于射频M EM S 器件设计和微细加工技术研究, g fding@sjtu. edu. cn;

张东梅(1981-) , 女, 硕士生, 从事于M EM S 封装工艺研究, zdm811102@yahoo. com. cn; 顾东华(1982-) , 男, 硕士生, 从事微小型M EM S 天线的设计与研究, gdh@sjtu. edu. cn.

64电 子 器 件第30卷

更高效的传热学和流体力学数值计算软件的推出, 以及非硅三维微加工技术的不断发展, 采用更高热导率材料和高效通道结构设计的复杂微通道散热器研究面临良好发展机遇.

(63750 m 2+5100 m 2) 和与其相连的所有连通通道横截面积之和(400 12 7+300 12 8+100 12 6) 相当. 图2给出了详细的结构尺寸图.

1 整体设计

图1为新设计的微通道散热器整体结构示意图, 它包括微沟道化的硅基底和图形化的Cu 薄膜散热板两个主要部件, 两者通过键合构成换热流体通过的微通道系统. 分布在硅基体上的微通道是构

成变截面微通道系统的主体结构, 其中包括导入主沟道1和导出主沟道5, 其间间隔地平行排布着导入、导出微沟道阵列(3、4) , 分别与导入、导出主沟道直接沟通. Cu 薄膜散热板上对应每一组导入、导出微沟道间隔带分布一组金属线条, 线条的顶部覆盖键合涂层, 通过与硅基体的键合, 在导入、导出通道之间, 形成沟通的薄层微通道阵列, 由于薄层微通道的一个侧壁就是高热导率的散热板, 所以它们将构成本设计中最为高效的散热微单元

.

(b) Si 微通道基底通道尺寸(a) Cu 薄膜散热板通道尺寸

图1 微通道散热器结构示意图

1. Cu 薄膜散热板基底; 2. Cu 连通通道; 3. Sn-Bi 键合层; 4. Si 微通道基底

(c) 整体键合成形微通道散热器局部微通道剖视图

图2

根据散热器的工作换热面积不小于热源器件换热面积的原则, 散热器整体尺寸可以任意调整, 作为演示验证设计思想的样品, 典型尺寸取为2. 15cm 1. 5cm. 在此基础上, 硅基体上的导入主沟道长19425 m, 宽2000 m, 深370 m, 横截面为倾角54. 7 的等腰梯形, Cu 薄膜基板上的导入主通道部分长19425 m, 宽2000 m, 深12 m, 横截面为规则的矩形. 总的导入主通道横截面积(643069+24000 m 2) 大于与其相连的所有导入分通道横截面积之和((63750+5100) 10 m 2). 导入分通道长425 m, 宽9100 m, 深300 m, 横截面为底角54. 7 的等腰三角形, Cu 薄膜基板上的导入分通道长425 m, 宽9100 m, 深12 m, 横截面为规则的矩形. 每组连通通道都包含沿工作流体纵向流动方向等间隔排布的7个400 m 宽、8个300 m 宽和6个100 m 宽, 长均为400 m, 深均为12 m 的微通道. 连通通道在Cu 薄膜基板上,

. 整体散热器结构由硅微通道基底和Cu 薄膜基板经特殊工艺键合成形. 硅微通道基底上每个微通道单元的导入分通道和导出分通道通过Cu 薄膜基

板上的连通通道组导通. 工作流体从导入主通道进入, 后经导入分通道、连通通道组、导出分通道, 最后由导出主通道流出.

与传统的微通道散热器相比较, 上述设计首先通过均衡的微通道截面面积设计保证了工作流体的整体稳定流动模式, 但是, 通道的截面形状和分合设置多次变化; 其次设计了特殊的连通通道组, 一方面设计较小的横截面积和连通通道长, 保证流体在通道内部快速流动, 及时输运热量, 实现短程均匀散热, 使其内部的工作流体散热成为散热器散热的核心过程, 同时也避免了与之相连的纵向微通道内工作流体单一流向产生沿流动方向温度梯度的问题; 一方面调整沿纵向分通道不同位置的连通通道横截面面积大小, 补偿了进入连通通道内工作流体的流

第1期王 艳, 丁桂甫等:新型微通道散热器设计仿真

=0, =0, =0P =P t =0

65

速损失, 使各连通通道内工作流体单位时间的流量相当, 从而保证不同连通通道散热能力的均衡.

2 仿真分析

2. 1 分析单元的建立

以微通道内的工作流体作为分析对象. 考虑到

微通道结构的重复性, 选择一个分支通道单元内的工作流体作为分析单元. 图3为体积提取后的分析单元示意图. 这部分工作流体的流动情况及散热过程中其内部的温度场分布结果能够反映整体散热器的工作能力

.

(3) 工作流体换热工作面:热源器件的生成热量通过其下部的散热板传导, 热量经散热板下表面与工作流体之间的对流换热被流动的工作流体输运走. 将热源器件的热生成量简化为工作流体与散热板接触界面处的均匀热通量边界条件.

-k =q", y =0

(4) 工作流体与器壁的交界面:设定无滑移边界条件.

u =0, v =0, w =0

2. 3 求解方法的确定

采用通用有限元分析软件ANSYS 中的FLO -TRAN CFD 模块求解上述物理过程. 选用包含速度、压力、温度自由度的三维四节点四面体FLU ID 142单元. 工作流体选择去离子水, 其属性参数见表

图3 分析单元示意图

1. 在FLOTRAN SET U P 中进行求解选项的相应设置:确定分析类型为瞬态分析, 经过预分析设置时间步为20、初始时间0、单时间步迭代次数40; 确定代数方程的求解器, 除了压力选用PCG 以外, 均选择快速高效的T DM A 求解器, 同时激活温度求解器PGM R; 时间积分选择较精确的NEWWA RD 方法

[9]

2. 2 控制方程和边界条件

散热器工作时, 工作流体以一定的流速和初始温度进入导入主通道, 然后流经导入分通道、连通通道组、导出分通道, 由导出主通道排出, 进入外部的循环换热系统, 再开始新的循环. 工作流体的上表面直接接触散热板, 输运由散热板传输的热源器件所产生的热量. 针对散热器的上述工作过程, 对分析单元作如下的物理假设:①不可压缩流体; ②层流状态; ③常物性; ④稳定的流场分布和热传输过程; ⑤忽略辐射和器件外围的自然对流换热.

根据上述假设, 得到该分析单元的微分控制方程组

[6-7]

. 由于FLUID 142单元类型自身的限制, 使用

自由网格划分. 首先以程序默认精度对模型进行网格划分, 然后分别对默认精度自由划分的有限元模型进行不同阶次的优化, 并分别运行计算程序, 计算的节点结果在同一位置上的变化平均值(所有节点结果差的和/节点总数) 在10量级, 可认为计算结果稳定. 网格1阶优化后分析结果已不依赖于网格的精度变化, 因此确定使用一阶优化的网格. 对存在较大温度和速度梯度的部分进行局部的网格细化, 最终确定的节点数为154470, 单元数为665722.

对于不同的求解变量:速度、温度、压力设定不同的收敛精度 . 针对某一个求解变量, 在所有节点(i 代表节点数) 的当前迭代(k th) 结果和前一次迭代((k -1) th) 结果之间差值的总和除以当前值的总和所得的值, 即收敛监测量 , 满足 , 则认为该变量k 次迭代收敛. 这里设定速度、温度、压力的收敛

-6-8

精度 分别为10、10-8、10.

-6

:

div V 0

=F -div p + div (grad d

+div () =div (g rad T ) +T 而由分析单元的物理行为确定其边界条件如下.

(1) 工作流体入口:设定入口流速. u =0, v =0, w =1T =T in =283

(2) 工作流体出口:设定流动在出口处充分发展. 为了保证流动充分发展的假设成立, 根据层流发展段的长度公式

[8]

表1 工作流体物性参数表

密度

/kg m 3

比热动力粘滞系数热导率

-1-2

/J (kg K) /N s m /W (m K) -1

, 在分析单元的出口处增加长为

2

.

66电 子 器 件第30卷

3 结果讨论

设定散热器入口流速为1m /s, 图4给出了分析单元的流速分布矢量图. 对连通通道组入口处的流速分布进行考察:如图4取A 、B 两点连线作为路径, 提取路径所在单元的流速值. 图5给出了对应于不同路径长度路径的单元流速曲线图. 从图中可以看出:不同连通通道入口截面处的流速值大小变化分布基本相同, 流速最大值基本都出现在靠近导入主通道一侧. 只是随着连通通道与导入主通道之间的距离变化, 各部分整体的流速值大小有所起伏. 但是通过连通通道不同横截面面积的有效补偿, 工作流体通过不同连通通道横截面的单位时间体积流量如图6所示基本上保持一致

.

界区域(图7) , 纵向微通道内没有出现沿工作流体流动方向的明显温度梯度. 连通通道内工作流体流程很短, 沿其流动方向也没有明显的温度梯度产生. 图8给出工作流体在连通通道内横截面上的温度变化, 这里的温度梯度变化非常明显, 主要发生在靠近表面的小区域.

图7 分析单元整体温升示意图

图4

分析单元流速分布矢量图

图8 连通通道横截面工作流体温度变化示意图

综上所述, 新型散热器的仿真分析结果显示了良好的预期性能, 说明该设计的指导思想具有一定的合理性和先进性, 但是, 由于复杂微通道可以调节的结构参数和材料特性众多, 所以能够优化设计的技术空间很大, 上述典型设置并不一定能够充分显示本设计思想的优势, 相关系统优化设计和器件研制工作正在有序展开.

图5

单元流速曲线图

4 结论

本文介绍了一种基于复杂通道结构的新型微通道散热器设计. 使用ANSYS 通用有限元分析软件, 对代表性散热单元在一定条件下的流速场和温度场进行了模拟. 分析结果表明:工作流体在1m /s, 283K 初始状态下, 可以输运5 10W/m 的热通量, 并且保证了进入各连通通道的工作流体流量相当, 散热均匀, 纵向微通道内也不存在沿流动方向明显的温度梯度. 实现了该散热器整体稳定流动模式和短程均匀散热模式, 保证了其良好的的散热性能, 典型工作条件下总热阻低至0. 0106 /W.

(下转第71页)

7

2

图6 通过不同截面连通通道的工作流体体积流量图

在5 107W/m 2的均匀热通量边界条件下, 工作流体初始状态流速设定为参考值1m/s 温度283K, 达到稳态后, 工作流体的平均温升为13. 85K, 系统温升主要集中在连通通道处, 导入导出分通

[10]

第1期于 涛, 曾庆良:微机电系统基于端口的多领域建模和仿真71

一体化建模可用VH DL -AM S 语言实现, 并可建立相应的模型库. 基于端口的建模实现了多领域物理现象的统一描述, 并通过界面与实现的分离, 实现了自上而下的层次化建模, 并可用一种仿真语言和仿真器实现整个M EMS 系统的建模与仿真, 实现了MEM S 系统的一体化建模与仿真.

图形建模方法Bond g raphs 和Linear g raph 支持基于端口建模的概念, 并可转成相应的VH DL -AMS 描述, 是高效的M EM S 建模方法.

综上所述, MEM S 基于端口的建模与仿真方法相比传统的方法具有较大的优点, 具有良好的应用前景. 参考文献:

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(上接第66页)

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