一种芯片散热型热管的强化传热研究

    随着电子器件的高频、高速以及集成电路技术的迅速发展和 MEMS (Micro Electronic MechanicalSystem)技术的进步, 使得单位容积电子器件的发热量和热流密度大幅度增加, 散热装置的布置和设计遇到的约束越来越严重。以微电子芯片为例 , 目前一般已达(60～100) W/cm² , 最高达 200 W/cm²以 上。传统的依靠单相流体的对流换热方法和强制风冷方法难以满足许多电子器件的散热要求, 特别是风冷需要安排高效、高翅化比的扩展散热表面, 却常常受到应用场合的空间限制。因此, 必须研究和开发新的散热手段以适应有高热流密度散热要求。热管是通过管内工质的相变化来实现传热的, 一般相变潜热大大高于显热。因此,热管是一种高效传热元件。热管除了具有极高的导热性以外, 还很容易在应用中体现热流密度可变性、优良的等温性和较好的环境的适应性等特点, 所以它已成为电子电器设备高效散热的重要技术之一^[1]。

    目前已有许多利用热管技术开发的针对电子器件的散热器, 本文分析的是一种由纯铜制成的集成热管散热器[2], 它由薄板冲压成型、钎焊连接的热管壳体结构和以矩形截面为主体并丰富内部支撑的热管工作腔结构, 各工作腔相互连通,这种结构不仅在空气换热侧很容易达到较高的翅化比, 也因为翅片根部与热管本体有较多的接触面积而获得较大的翅片效率。此外热管的蒸发端最大程度地利用了与电子器件的接触面积, 也有利于降低这种散热结构的总体热阻。

    集成热管散热器工作原理如图 1 所示, 实物如图 2 所示。散热器内工质为甲醇, 蒸发段处于热管的下半部分, 热管周围为翅片, 侧面风扇用来加强空气的对流散热。散热器底部与 CPU 或其它电子器件接触, 通过热传导将热量传递给充满在底部的工作液。工作液吸收热量蒸发。上升的蒸汽在集成热管的竖直壁面区域冷凝, 冷凝液沿壁面回到蒸发段, 即散热器底部。由于该集成热管散热器的热管内部热阻很小, 主要热阻在翅片侧空气对流换热和与被冷却器件的接触热阻。本文主要讨论如何通过优化翅片侧的换热结构以降低空气换热侧的热阻,即改变空气侧的风速、翅片型 式和翅片节距等, 利用流场分析软件对上述参数的影响进行比较分析, 从而为这种热管的优化设计提供理论基础。

    1 物理模型

    1.1 模型简况

    集成热管是一种铜- 甲醇热管, 其工作温度范围为(- 45~120)℃[3], 与空气热交换的扩展表面是铜材翅片组成。根据热管等温性好的特点, 加之热管内部空间充裕, 其中丰富的支撑结构又可以作为扩展换热面, 因此热管的翅根处的壁面等温性很好。如图2所示, 散热器铜翅片一般由几根翅片束组成, 而每个翅片束又由均匀分布的翅片单元组成,很有规则; 因此 , 每个翅片单元的工作状态基本一致, 从而在对翅片优化分析时取一个翅片单元来仿真分析就可以满足要求。鉴于散热器工作腔为矩形腔结构, 所以翅片束外形也相应设计成矩形。结合目前制造工艺, 翅片型式主要有平直型和开缝型。翅片型式有平直 A 型、BⅠ型 ( 平直 B 型有三种节距, 分别称为 BⅠ型、BⅡ型、BⅢ型, 此处采用 BⅠ型) 和开缝型等三种。翅片单元如图 3 所示的为平直 A 型, 图 4 所示的为平直 B 型, 图 5 所示的则称为开缝型。显然翅片开缝主要是减薄气流经过翅片的边界层厚度, 从而使翅片侧的对流换热能力增强, 但同时也带来了较大的流动阻力。