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摘要：IGBT 的热管理问题日益凸显,亟待开发高效、稳定、灵活的新型冷却技术。本文从当前IGBT 模块冷却中存在的主要问题与瓶颈出发,对IGBT 常见的且广泛应用的冷却技术以及目前的喷雾冷却、射流冲击冷却和微通道冷却等热点研究技术进行详细的分析与评价。得出:相比其他冷却技术,微通道冷却技术,尤其是微通道流动沸腾冷却技术,有着结构紧密、换热能力强、传热系数高、工质充注量少、均温性能好等优势,在电子器件热管理领域有着极大的发展前景。对此本文提出微通道流动沸腾冷却是解决新型电子器件的热管理问题的优选方案,为有关IGBT 模块散热器的设 计与应用提供重要参考。 关键词：绝缘栅双极晶体管 热管理 冷却方式 微通道冷却 流动沸腾 扫码申请加入TM热管理+微信群！  0 引言 “摩尔定律”准确预测了半导体产业的快速发 展,但随着电子封装技术以及微机械加工技术的迅速发展,晶体管尺寸和集成度越来越接近物理极限,现有的光刻技术精密度有限,加上漏电和散热等问题频频发生,未来摩尔定律可能无法再准确引领半导体行业的发展节奏。其中,日益凸显却始终未得以彻底解决的散热问题已经受到了业界的普遍 重视,高集成度机械电子装置的热管理已经成为了电子行业乃至整个机械制造与电子控制工程领域继续发展的瓶颈。传统空气冷却技术的散热能力已无法满足高热流电子设备的散热需求。与此同时, 由于电子器件的种类及应用领域愈发多样化,运行工况愈发复杂,工作环境日渐精细,这就要求对应的热管理系统能够在不同的工作条件下都能实现高效散热,因此如何选择合适的冷却技术,合理设计稳定、可靠且能灵活适配不同工作场景的热管理系统, 已成为高热流散热领域亟待解决的主要问题之一。 IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor,绝缘 栅双极晶体管)是一种新型电力半导体自关断器件, 具有驱动功率小、驱动电路简单、低稳态损耗、输入阻抗高、承受短路能力和载流能力强的优点,被广泛 应用于变频器、牵引传动、交流电机、家用电器等领域,是新一代电子元件的代表。IGBT 的工作效能受温度的影响颇大,工作过程中因频繁开断而产生大量的热量,一旦没有及时散出,会使模块内部温度升高,导致其半导体物理常数与器件内部参数的改变,使通态压降、开关断速度、关断电压尖峰、电流拖尾时间和损耗等性能指标变差,最终造成IGBT模块无法正常工作,降低其工作寿命。不仅如此, 模块内部温差大也会产生热应力引发热失控问题, 降低模块的可靠性。因此,IGBT 模块的散热问题 亟待解决,在风冷不能满足模块散热需求的情况下, 单相水冷冷板成为目前较大功率IGBT 模块散热系统的主流冷却方式。但近年来IGBT 的小型化、大功率化进程加快,模块热负荷增加导致单相水冷冷板也逐渐无法满足迅速增长的散热需求,以及冷板 内部循环水强制对流换热存在不可避免的低均温性问题。为此,许多学者开始着眼于流动沸腾换热,微通道流动沸腾换热有着换热能力强、传热系数极高、均温性良好和工质充注量少的优点,是用于 IGBT 散热较理想的散热方式,加上近年来微加工工艺进步,微细通道的加工成本降低,使得微通道内的流动沸腾换热有着极大的发展前景。 本文针对IGBT 模块的结构与热阻展开分析, 从减小散热器和环境之间的热阻出发,分析了已在 IGBT 模块热管理中得到广泛应用的空气冷却技术、热管冷却技术和循环水冷却技术的优势及限制它们在未来更高热流密度器件散热中应用的原因。分析并评估了若干热点冷却技术如喷雾冷却技术、 射流冲击冷却技术和微通道冷却技术在IGBT 模块中的应用潜力,提出了微通道流动沸腾冷却是当前 解决新型电子器件的热管理问题的优选方案,为 IGBT 模块散热器的设计与应用提供重要参考。 1 IGBT模块的结构与热阻分析 目前市场上使用的多为模块化IGBT 产品,即IGBT 模块。它 是由IGBT 芯片与 FWD(freewheel diode,续流二极管芯片)通过特定的电路桥接封装 而成的模块化半导体产品,具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点。封装后的IGBT 模块主要由芯片、铜电路层、绝缘陶瓷层、铜层、基板5部分组成,如图1所示。
图 1 IGBT模块示意图 其中铜电路层、绝缘陶瓷层、铜层3部分主要起到传递热量、绝缘以及缓解热应力的作用。IGBT 模块内部可以封装多个IGBT 芯片,通过在模块内并联多个IGBT 芯片,实现高电流处理能力,以避免 IGBT 芯片在提高有源面积的同时降低成品率的问题。与单芯片模块相比,内部有多个IGBT 芯片的封装模块的结构更复杂,对热管理也有更高的要求。IGBT 模块作为高发热量且效能受温度影响极大的功率器件,在实际运行中的结点温度必须控制在合理范围内以保证正常工作。过高的工作温度会改变其半导体物理常数与器件内部参数,导致IGBT 模块无法正常工作,严重时甚至影响其工作寿命。一般来说,当 IGBT 芯片的结点温度超过 125 ℃ 时,其性能急剧下降,甚至会造成IGBT 的损坏。不仅如此,IGBT 模块中因内部各芯片之间温差大而产生热应力进而可能引发热失控,降低模块的可靠性。因此封装模块的热管理不仅要保证每个芯片的温度不能超过额定值,还需要格外关注不同位置芯片的温差,即考虑模块内部芯片的均温性问题。 IGBT模块作为一种电力半导体自关断器件,在导通工作和开/关过程中都存在一定的功率损耗,通常称为通态损耗和开关损耗。通态损耗通常取决于导通过程时的有效电压和电流,而开关损耗则主要取决于IGBT器件的开关特性、开关频率等。通态损耗和开关损耗的存在是导致IGBT 模块发热问题的最主要因素。与此同时,模块内部由于发热引起的温度变化也反作用于通态损耗和开关损耗,影响模块的工作性能。由功率损耗引起的发热量在IGBT 内部的传递路径与其封装构成有关,即芯片→芯片焊接层→铜电路层→陶瓷层→铜层→系统焊接层→基板 →散热器,热传递原理图如图2所示。
图 2 IGBT模块热传递模型示意图 由芯片到外部环境间的热阻可以归纳为3个部 分,分别为芯片与外壳之间的热阻RJC、外壳与散热器之间的热阻 RCH 以 及散热器与环境间的热阻 RHA,总热阻模型R 表达式为
其中芯片与外壳之间的热阻RJC 主要与内部元件的材料和具体结构有关,这是由IGBT 芯片的内部封装形式而决定的,它在保证芯片功能的前提下起到保护芯片减少外部物理化学损伤的作用,其结构是不能轻易改变的,因此想要通过减小这部分热阻来优化IGBT 模块的整体散热效果相当困难。外壳与散热器之间的热阻 RCH 主要包含材料和界面接触热阻,这是由于当不同的材料/部件的表面接触时往往存在大量微小的空隙,导致实际表面接触面积很小,空隙内空气极低的导热系数严重阻碍热量的传导,从而影响散热器的性能。为了减小这部分热阻, 通常可以选用导热系数更高的散热器材料,以及在 外壳与散热器之间填充导热效果好的界面材料以充满空隙,例如导热硅脂、导热相变材料、铟片等,在芯片外壳与散热器之间建立良好的导热通道,这部分热阻的优化主要涉及高导热系数界面材料的选择, 不作为本文的研究重点。散热器与环境间的热阻 RHA 是当前IGBT 模块散热的研究重点。有数据显示,IGBT 散热器与外界环境间的换热热阻高达 24%,当下冷却技术的革新与优化大多都是围绕 RHA 展开的,采用散热效果更好的冷却技术尽快将热量移除,进而控制模块内部温度保持在合理范围内,同时保证各芯片间的温度均匀性。本文也将着眼于散热器与环境间的热阻 RHA,分析面向IGBT 模块的不同冷却技术的特点、冷却能力、研究和应用进展,提出应对IGBT 的热管理的优选方案,为散热器的设计与应用提供参考。 2 IGBT冷却技术 目前已较广泛应用于市场的IGBT 冷却方式有空气冷却技术、热管冷却以及循环水冷却技术。经过大量的文献调研,本文将IGBT 常用的散热技术以及在IGBT 热管理领域作为热点研究的冷却技术适用的热流密度范围进行总结,如图3所示。
图 3 不同散热技术适用的热流密度 范围总结 空气冷却技术利用空气的对流换热带走热量以达到散热的目的,可分为被动的自然对流空气冷却以及主动的强迫对流空气冷却。自然对流空气冷却主要由于不同位置空气的温度差引起密度差,从而产生浮升力为驱动力,带动周围空气流动带走热量,这种 冷却方式的散热器结构简单、维护方便,在早期得到广泛应用,但其换热能力差,只能用来冷却功率低、发热量小、热流密度不超过0.08 W/cm 2的器件。随 着IGBT功率器件集成化、大功率化发展,冷却需求日渐提高,只依靠自然风冷进行冷却是远远不够的。为了满足散热需求,需要进一步提高换热效率,在 IGBT器件上加装风扇或风机以促进空气强迫对流, 即强迫对流空气冷却。强迫对流空气冷却的热阻可以减小至自然对流空气冷却的1/5到1/15,散热能力大大增加,但因为增加了风扇/风机等装置,需要 合理设计风道,定期维护,系统可靠性降低,器件集成度也有所降低,且工作时伴有较大噪声。 为了提高空气冷却技术的冷却效率,通常会在 IGBT 模块上安装散热器以增大换热面积,常见的多为翅片型散热器。风冷散热器的散热效率受到翅片结构、尺寸、排布设计、风扇位置和转速、环境温度等影响,CHARLES等对不同形状的翅片进行了实验研究,包括梯形、倒梯形、矩形,结果表明,倒梯形翅片的换热系数比梯形和矩形分别高 25% 和 10%。沈丽萍等采用 RNGk-ε模型数值模拟了半圆形、矩形、三角形翅片散热器的换热特性和流动 阻力特性,结果表明在相同泵功下,半圆形、等腰三角形翅片散热器的换热特性较矩形翅片均有改善, 其中三角形翅片换热能力最强,半圆形翅片流动阻力最小。BU ¨ NNAGEL等设计了一种用于IGBT 模块均匀散热的强制风冷散热器,对传统鳍片式散热器进行了改进,优化气流组织,研究表明该形式的 散热器在5m/s的空气流速下,IGBT 模块的平均温差不超过0.21 ℃。经过大量的研究和优化, 风冷散热器,尤其是平行铝翅片散热器,设计简单、 制造工艺成熟,是当前IGBT 冷却中最常用的散热装置。然而,受限于空气比容小、导热系数低等问题,即使是强迫对流空气冷却,散热能力也十分有限,无法很好地应对目前热流密度大、瞬时温升快的 IGBT 集成模块的散热需求。此外,温度不均匀性、 噪声、系统可靠性等问题也极大地限制了空气冷却技术的进一步发展。 为了优化风冷散热器的性能,在其基础上添加热管是常见的方法。IGBT 散热的热管冷却技术是在空气冷却的基础上优化形成的,其典型的热管散热器结构示意图如图4所示。
图 4 热管散热器结构示意图 热管主要由密封管壳、吸液芯和蒸汽通道构成, 管内充注一定量液体,热管的一端为蒸发段,另一端为冷凝段,工作过程中蒸发段吸收热源产生的热量, 使其周围吸液芯中的液体气化,而后热量随蒸气从热管的蒸发段向冷凝段移动,蒸气在冷凝段凝结为液体并把热量传至外界;冷凝后的液体便通过管壁上吸液芯的毛细作用返回到蒸发段,如此重复上述 循环过程不断将热量从一端传递至另一端,从而实现散热。蒸发段与绝热段之间的区域称为绝热段, 绝热段的长度通常由热源与散热器之间的距离决 定,并对热管的性能有着重要影响。热管具有低传热温差、尺寸较小、不需要机械维护的优点,一般热管不单独作为散热器使用,通常嵌入风冷散热器翅片中,利用其高效的相变传热快速地将IGBT 模块基板处的热量传递到空气中,达到散热的目的。学者们对热管散热器的性能优化开展了一系列的研究,如徐鹏程等建立了IGBT 热管散热器的三维模型并基于该模型进行了数值模拟研究,与现有的实 验数据结果对比,表明不同翅片厚度和翅片间距对热管散热器的传热与流动性能有着较大影响,文中翅片厚度0.5 mm、间距为1.2 mm 时散热器的散 热效果最好。该结论对热管散热器的设计、推广与应用 提供了帮助。GUOWEI等 对一种结构简单、应用广泛的典型热管散热器进行了结构优化,提出了一种将阵列冷端与公共平面热端相结合的新型热管,分析了风速、填充率和加热功率对其传热性能 和平均温度的影响,并与传统热管散热器的传热性能进行比较研究表明新型热管散热器在IGBT 的冷却方面表现出显著优势,尤其是当功率达到30 W 以上时,优势更加明显,在同等风速下,其平均温度相较传统热管散热器低6.69~13.71 ℃。此外,该热管散热器的最佳填充率为15%,最大当量导热系 数10554.46 W/(m·K),是传统热管散热器的1. 77倍;最小热阻为0.34 ℃/W,是传统热管散热器 的58%;热源平均温度偏差范围为0.58~1.45 ℃,比传统热管散热器低0.21~1.2 ℃。基于冷却系统紧凑性和高性能的要求,BAO 等提出了一种新型金属泡沫脉动热管,并探究了其传热特性。结果表明在实验条件下,该金属泡沫脉动热管的热阻随着热通量的增大而降低,当热通量从18750 W/m 2 增大至112500W/m 2 时,热阻从0.435℃/W 降低 至0.142 ℃/W;与传统热管相比,金属泡沫脉动热管表现出更好的传热性能和更好的蒸发段温度稳定性和均匀性。上述大量研究为热管散热器的结 构设计和参数优化提供了思路,为其进一步推广应用奠定了基础。 与强制对流空气冷却技术相比,热管的引入使得散热器的性能大大提升,加上热管散热器可靠性高, 工质泄露风险小,因此在当下的IGBT热管理市场也有了一定的应用基础。但大多数热管散热器和风冷散热器一样,需要配合外部风扇/风机等才能达到更高的散热效率,因此热管散热器的工作效率同样受到风扇形式、风速、环境温度等影响,存在需要定期维护,工作时会产生噪声等问题。此外,增加了热管结构后,散热器整体尺寸增加,例如结合了翅片的圆柱形热管散热器通常只适用于空间较大的散热场景,不利于提高IGBT模块的紧凑型和集成度。 当IGBT 模块功率密度增大,再加上风道设计、 可靠性、噪声指标等条件限制,空气冷却技术和热管 冷却技术实施起来相对困难,不能很好地满足设备 运行和散热需求。由此,水冷技术站上了舞台,水的 导热性很好,比热容大,几乎不会产生污染。相较于 风冷散热,采用水冷散热器(或称为水冷板)散热效率更高、体积更小、散热系统更容易布置,更适合应用于较大功率IGBT 模块散热系统中,因此循环水冷却很快得到了广泛应用,成为目前较大功率IGBT 模块散热系统的主流冷却方式。循环水冷散热器根据散热器与IGBT 模块间的封装形式可分为以 下2种:1)将IGBT 模块与水冷板2个独立元件组 合形成的一种分离式散热器,利用冷板内水循环流动带走IGBT 模块的热量。分离式IGBT 水冷散热 器安装方便,但同时也导致IGBT 模块和冷板接触面上存在接触热阻,且IGBT 产热越大时接触热阻 对散热器性能的影响越大,因此实际应用中需要在 接触面涂抹导热硅脂来减小接触热阻。2)直接将 IGBT 封装在带翅片的水冷板基板上。此散热器消除了基板与冷板的接触热阻,散热性能更高。有研究表明,这种模块与散热器一体化的形式,其热阻比分离式散热器降低了33% 。但这种形式的散热器给拆装带来了不便,也增加了冷却液与内部芯片、 电路板接触的风险,因此对冷却水的电绝缘性的要 求更加严格。目前循环水冷却技术在IGBT 应用已较为成熟,学者们对水冷散热系统及结构设计优化开展了大量研究。如张程等针对IGBT 大功率模块水冷散热系统设计进行了研究,基于相似理论提出了水冷散热系统的热路等效热阻求解公式,提供了水冷散热系统的一、二次冷却结构参数设计方法,并通过仿真、实验结果与理论分析对比证明了设计方法切实有效,为IGBT 水冷系统参数设计难题提供了解决方案 ;潘政薇等针对IGBT 模块的散热问 题设计了3种翅片结构水冷散热器模型,利用有限元分析方法对不同工况下的温度分布、压降等方面进行了比较分析。结果表明流线型分布的结构有着较好的传热效果与流体阻力特性,选用该设计方案在环境温度为55 ℃,冷却水温度 60 ℃,流量为 9L/min工况下可以使冷却水温升稳定在1.6 ℃,此 时IGBT 模块最大温升约为19 ℃ ;LI等对市场主流 EconoDUAL封装模式下英飞凌生产的IGBT 模块的热性能进行了优化,在原有水冷板平行矩形流道的基础上,对水冷板内翅片节距、流道纵横比等参数进行了优化设计,使用 Fluent分析软件计算共 轭传热模型,分析不同几何参数的散热器内部水冷情况,系统研究了水冷散热器的温度特性、流动特性和热阻。结果表明,在固定质量流量下,水冷散热器流道数为10~12个,散热器底面温度最低,热阻最小,功耗最低。说明在有限的面积下,优化流道纵横 比、散热水冷板内翅片间距等几何参数可提高IGBT 的散热性能,为高效能的开发提供了有效可行的设计参考。 尽管循环水冷却技术有着很多优势,但其温度均匀性不高的问题不容忽视,尤其对于IGBT 芯片而言,它的功率转换效率会随着IGBT 芯片结温的降低而提高,温度均匀性差将会导致不同位置 IGBT 芯片之间的结温不同,使每个IGBT 芯片具有不同的功率转换效率,从而产生不同的功率输出, 这对模块的运行和可靠性十分不利,严重时甚至会引发热失控导致器件损坏。面对不断增加的热负荷,传统冷板循环水单相冷却性能受进出口相对位置的影响严重,靠近出口处的冷却性能会大大降低, 温度不均匀性会更加凸显。WANG 等采用传统单相水冷冷板对含有6对芯片的某型号IGBT 模块进行冷却,在泵功为0.3 W 时各位置IGBT 芯片温度分布如图5所示。
图 5 传统单相水冷冷板冷却下IGBT模块 不同位置芯片温度分布 靠近入口的IGBT 芯片温度为83.2 ℃,而靠近 出口的IGBT 芯片温度已经达到115.3℃,各IGBT 芯片之间最高温度的不均匀度达到了32.0℃,这样 大的温差会极大地降低运行的可靠性,影响器件的正常运行。为了缓解这一问题,传统循环水单相冷却通常采用增大泵功的方式,增加冷却系统中水的质量流量,但这种方法功耗增加且效果也并不理想,不能从根本上解决问题,因此亟需研发散热性能优异、均温性良好的新型冷却技术。 以上空气冷却、热管冷却及循环水冷却方式是目前市场上常见的IGBT 的冷却方式,应用广泛但各有优势和不足。近年来IGBT 的小型化、大功率 化进程愈发加快,随着热负荷的增加,传统的冷却方 式逐渐无法满足迅速增长的散热需求,IGBT 亟需先进的热管理技术。在市场强烈需求下研究人员进 行了一系列探索研究,探寻不同冷却方式应用于 IGBT 热领域的可行性。ACHARYA 等利用热阻网络建模估算IGBT 封装可以消散的最大热通量,以此为基础理论分析评估了高导热聚合物散热器、封装的双面散热、液体冷却(单相和两相)、射流冲击和喷雾冷却等技术的优势,分析表明在这些热 点研究的冷却技术中喷雾冷却、射流冲击冷却和微通道冷却(两相)表现出优异的散热性能,给未来 IGBT 热管理技术的优化提供了实际的参考价值。 喷雾冷却技术是一种非常高效的新型液体冷却技术,它利用喷嘴将冷却液雾化为微液滴群后猛烈撞击热源表面,在表面形成冷却液薄膜,随着液膜的流动、蒸发和液膜内气泡的形成、生长、脱离等相变过程实现快速散热的效果。喷雾冷却换热能力强、换热表面均温性良好、工质需求量小,是一种有效的高热流散热方式。自20世纪80年代喷雾冷却概念提出以来,国内外学者相继针对理论和实验展开了大量研究工作。CHEN 等采用 VOF 方法、28 个不同工况的模拟算例对喷雾冷却的传热机理、液体撞击受热面的流体动力学和蒸发冷却过程进行了数值模拟,探究了表面润湿性、表面温度、液滴速度、 液滴尺寸和液滴温度等对喷雾冷却的影响,如图6 所示。从液滴撞击动力学角度分析,喷雾冷却的液滴撞击发热表面可以分为动态阶段和准静态阶段。在动态阶段,液滴撞击表面后首先扩展到最大润湿半径,然后由于惯性力和表面张力的竞争而弹回;在准静态阶段,液滴形状变化不大,其体积随着蒸发而缓慢减小。该研究表明,改善发热表面润湿性、缩小液滴直径能强化喷雾冷却效果;液滴蒸发过程主要受发热表面温度的影响,受液滴温度的影响很小,发热表面温度高,液滴蒸发快,散热效果好,但表面温度过高会出现过渡沸腾,导致沸腾危机。鉴于它优越的散热性能,学者们开展了喷雾冷却技术在IGBT 热管理领域的应用研究:MERTENS通过实验探讨了水单相对流冷却、空气-水喷雾冷却和蒸汽-水喷雾冷却3种冷却方式应用于IGBT 散热的性能差异,结果显示空气-水喷雾冷却IGBT 优于其他冷却技术,有着明显优势。TUREK 等使用压力雾化喷嘴阵列对最大直流功率输入为180kW 的三相逆变器模块的电力电子设备热管理进行实验研究,喷雾液体是水和丙二醇(50/50)的混合物,研究表明采用喷雾冷却取得了很好的效果,基于独特的蒸发喷雾冷却喷嘴设计和电子接口设计可以使模块能够以全功率运行,同时IGBT 结温控制良好。BOSTANCI等对汽车功率逆变器模块喷雾冷却进行了实验研究,对比了 R134a和 R1234yf制冷剂的喷雾冷却性能,结果表明R134a提供了更好的性能;GHOLINIA 等利用数值模拟讨论了含有碳纳米管(MWCNTs-SWCNTs)的冷却液(H2O)微喷 雾应用于IGBT 热管理的效果;利用 Ansys-Fluent 软件进行模拟,分析了尺寸为0.43mm、0.09mm、 0.05mm3种不同类型喷嘴的冷却效果,研究表明使用0.05mm 的微型喷嘴可以增大流体流速,传热效果最好。
图 6 喷雾冷却示意图 大量研究表明,喷雾冷却技术散热效率高,在高 热流散热领域具有很好的发展前景。但是由于喷雾冷却过程复杂多变,众多影响因素相互作用,数学模型求解困难,给理论分析和实验研究都带来极大的困难。目前,针对喷雾冷却的研究主要采用模型研究、数值模拟、实验研究结合的方法,至今尚未得 到关于喷雾冷却的换热机理和影响因素的明确结论。此外喷雾冷却装置设计难度大,包括喷嘴的结构、喷嘴与表面之间距离、倾角、喷雾流量等,需要大量参数支撑,给散热器的设计与推广带来了极大挑战,进而也限制了它在热管理市场的拓展应用。 射流冲击冷却是冷却液在喷嘴的压差作用下以很高的速度直接冲击热源表面来实现高效换热的一 种冷却方式,图7所示的典型射流冲击流场被分为 3个区域:自由射流区、驻点区、壁面射流区。其中,驻点区是射流冷却的主要作用区域,流体会在驻点区形成很薄的速度和温度边界层,边界层内温度梯度、轴向速度梯度和压力梯度很大,使边界层内各参数发生剧烈变化,进而产生很高的局部换热系数。有数据表明,液体单相射流冷却的换热系数可高达1u10 4 ~3u10 4 W/(m 2 ·K),在有相变发生的射流冷却中换热系数可以达到更高的值,足以见得射流冷却强化换热的效果十分显著。射流冲击冷却传热机理和流场特性复杂,分类方式也多种多样,如表1所示。
图 7 典型圆形射流冲击冷却示意图 表 1 射流冷却的分类
由于射流冷却流场结构的复杂性,仅仅依靠理论分析通常无法准确获得流动和传热特性的定量结论,目前一般采用公式推导、数值模拟和实验研究相结合的方式来获得相对准确的定量结论。 由于单孔射流冲击作用范围有限,容易导致热源表面温度均匀性低,这对大面积热源十分不利。为了解决这一问题,通常会采用多个喷嘴的射流阵列,图8为一种分布式回流射流阵列装置,能极大地提升设备温度均匀性。
图 8 分布式回流射流阵列装置示意图 射流阵列冲击冷却具有优异的传热性能和对局部热点的适应性,有学者对其用于大功率IGBT 冷却进行了研究:JORG 等研究了含有12个功率开关器件的功率转换模块的液体微射流阵列冲击冷却, 以去离子水作为冷却液,将液体微射流阵列冲击冷却与传统方法进行了比较。结果表明,射流冲击冷却可以大幅降低设备温度,可以有效减少大面积的高发热设备的温度不均匀性。POURFATTAH 等对用于大功率IGBT 模块的新型液体射流冲击多 微喷嘴冷却系统的冷却能力进行了数值分析,使用基于压力的有限体积技术方法对微喷口比例对冷却性能的影响进行了研究,结果表明,当比例为0.45时系统散热性能达到最佳。 已有的研究结果表明射流阵列冷却的散热能力十分优秀,尤其在减低局部热点,增加大面积设备整体均温性方面表现出色,但它和喷雾冷却类似,传热机理和流场特性极其复杂,设计难度大。此外,射流冲击冷却装置长时间工作时高速流体的冲击力会对 IGBT 模块表面具有潜在的破坏性,制约了射流冲击冷却技术在电子器件冷却行业的大规模应用。 表2总结了前面所述的几种冷却技术。由上述分析可知,随着近年来IGBT 模块热负荷增加,空气冷却方式逐渐无法满足迅速增长的散热需求,而热管冷却技术和循环水冷却技术虽然在散热能力上有所提升,但在未来高热流领域并不具有明显优势, IGBT 亟需先进的热管理技术。喷雾冷却技术和射流冲击冷却技术虽然可以达到很高的散热能力,但它们的传热机理复杂,至今尚未得到相对统一的传热理论和传热规律,加上喷嘴设计难度大,使得它们在短时间内实现市场化应用的可能性不高。相比之下,微通道冷却技术有着结构紧密、换热能力强、传热系数高、工质充注量少、均温性能好等优势,相比射流冷却和喷雾冷却散热器,微通道散热器更容易实现进一步的推广应用,在电子器件热管理领域有着极大的发展前景。因此本文将针对微通道冷却技术的通道的划分依据、影响因素、研究现状和存在的问题等展开详细的论述。
3 微通道冷却技术  微通道冷却是在基板上刻蚀微尺度通道,热量通过基底导热后被微通道内流动的工质带走,是一种高效的冷却方式,在电子计算机芯片冷却、航空航天等领域有着极大发展前景,自概念提出以来备受国内外学者的广泛关注,但微通道的传热机理比较复杂,至今仍尚未明晰。为了探究微通道冷却技术在微电子器件热管理领域的应用前景,本文对 已有研究进行分析评价。 区分宏观与微观尺度通道的标准是一项十分重要的课题,这不仅影响到理论研究的通道设计、关联式的适用范围等,而且对实际应用中流道尺寸的选取与加工有着重要的指导意义。早期学者们对微通道与常规通道之间的区别开展了大量研究,KANDLIKAR 以水力直径为标准给出了不同类型通道的直径范围。然而,THOME报告说,仅根据通道尺寸区分微观与宏观尺度并不完全合理,而必须同时考虑流体特性,因为有许多参数会随着通道直径的减小而发生改变,进而影响流动。为了区分微通道与常规通道,一些研究者对微通道的定义提出了不同的标准: 1)基于通道水力直径的划分方式,如表3所示。这种划分方式由LEE 和 KANDLIKAR 等提出,此标准综合考虑了热交换器的应用以及当时的机械制造技术,给出了相应的参考。
2)在流动沸腾中,宏观尺度通道到微观尺度通道的阈值尚未形成一个普遍接受的标 准。BALDASSARI等 汇总了微型通道 (100μm≤D ≤4.2 mm)和各种测试流体(去离子水,FC-72,H2O,R11, R113,R123,R124,R134a,R141b,R236fa,R245fa 等)的两相流动实验数据,总结相关研究分析得出, 宏观尺度通道到微观尺度通道的阈值与气泡脱离直径、气泡聚集等有关,定义宏观到微观尺度之间的边界需要考虑气泡限制。从力的角度分析,管内流动沸腾中气泡脱离受表面张力和浮力的控制,KEW等提出了使用限制数(Co,ConfinementNumber)的 划分方式。Co 数代表通道内表面张力与重力的相 对大小,可按式(2)进行计算,当Co>0.5时,传热和 流动特性与在大通道中观察到的显著不同。因此, 可以考虑将 Co>0.5 作为微通 道的划分标准。这种引用限制数Co 的划分方式是通过气泡受力分 析判断微通道的划分方式的典型代表,是基于一定实验条件下提出的。在不同实验条件下得到的标准有所差异,因此一般用于在相似实验条件下进行理论研究时作为参考。
3)目前,在工业应用领域,广泛认为水力直径 D ≤1mm 的通道即可称为微通道。 微通道的结构对微通道的传热性能有着很大影响,合理的微通道几何结构设计是传热强化的关键。学者们针对微通道结构进行了大量研究,涉及到不同的微通道制造,不同通道结构下流动模式、压降特性、传热特性等。 从最早提出的平行多路硅通道结构开始,人们 对各种微通道的结构、形状进行了研究,以提高其换热性能。在微通道截面形状方面,学者们对圆形、 三角形、矩形、梯形等截面形状的微通道进 行了探究,分析不同截面形状下的散热性能,发现了截面形状的差异对散热性能有着很大影响。除了规 则形状的截面外,学者们还对不规则形状的结构进行了研究,如 BOER等提出一种截面内凹型微通道, 称为 BCT(buriedchanneltechnology),在硅基板上 使用内埋通道加工技术制造,沟槽深度和宽度分别为75μm 和5μm,为微通道内流体的流动提供一种新的路径。KUO 等提出了一种侧壁具有内凹型 Ω 槽的新型微通道,几何尺寸为200μm×253μm, 其各个通道间互不连通,试验结果表明具有凹槽的微通道可促进气泡成核,显著提高临界热通量,可帮助减轻气泡快速增长的不稳定性,缓解流体沸腾不稳定性。DENG 等利用粉末烧结技术设计出一种具有 Ω 型微通道的重入式多孔微通道,称为RPM(reentrantporous microchannels),水 力 直 径 786 μm,实验表明该结构对微通道单相流动和两相流动 时的对换热性能均有较大提高,且能减轻两相流动的不稳定性。AHMED 等则对微通道的侧壁凹槽的各参数进行三维数值分析并进行优化,结果得出凹槽尖长度比为0.5的梯形槽,凹槽深度比为0. 4,凹槽间距比为3.334,凹槽方向比为0的微通道具有最佳换热性能和最小流动阻力。为改进微通道内部的流动,提高传热性能,研究者们还设计了许多 不同流道形式的微通道换热器,例如波纹形式的、针肋形式、圆柱形斜鳍、交错翅片、双层等微通道换热以及带有小腔的微通道换热器等。学者们还对一些特殊结构的流道进行了研究,研究发现采用某些特殊结构的流道可能会有增强换热的效果。如 SUI等改进直线型微通道,提出矩形截面波浪微通道,单相仿真结果显示,这种波浪微通道可产生涡流,提高对流换热系数,同时具有比直线微通道更小的压降。该研究也表明沿流动方向的相对波幅改变,对微通道的紧凑性和效率不会产生太大的影响, 减小波浪微通道的波长,能使设备温度分布更为均匀,减少局部过热的产生。ZHANG 等通过铜粉烧结和电线放电加工制造了 3 种多孔互连微通道网,在测试中得出0.4 mm 的多孔互联微通道具有最佳的换热性能以及缓解两相流不稳定性能力。此外吴龙文等还设计了仿生微通道拓扑结构,例如仿叶脉微通道拓扑结构、仿人体气管树拓扑结构、仿蛛网拓扑结构、河流网络型结构、仿蜂窝型结构以及仿昆虫翅脉型结构等。根据数值计算结果,相对于矩形芯片,除河流网络结构外,各仿生微通道拓扑结构较普通矩形平直微通道具有更强的散热能力, 且随着芯片热流密度提高,各种微通道结构散热能力差异更加明显,故在高热流密度芯片的应用场合, 微通道拓扑结构对芯片散热效果影响较大。根据实 验发现蜘蛛网型结构具有散热比表面积大、平均对流换热系数高、流体流动性能好等优点,综合散热性能最优,进出口压降更低,具有很好的工程应用价值。 对微通道结构的广泛研究展现了微通道冷却技术出色的散热潜力以及广阔的发展前景,也为后续微通道冷却技术的进一步推广应用奠定了坚实的基础。除了尺寸结构外,通道内流体是否发生相变同样是影响微通道散热能力的重要因素之一,微通道技术按流体是否相变通常可分为微通道单相冷却和微通道流动沸腾(两相)冷却2种方式,下文将对单相和两相微通道的现有研究进行回顾和分析。 单相冷却是指在整个冷却过程中冷却介质始终保持同一状态(通常为液态),不发生沸腾或冷凝的情况。相较于常规尺度单相冷却装置(系统),微通道单相冷却装置(系统)在同样体积下有着更大的换热面积,且存在微尺度效应,整体散热性能更强。微通道单相换热的研究已经较为成熟,表4中列出了 微通道单相换热的一些实验研究。可以看出,微通道单相实验研究将水作为研究重点,目前对于微通道冷却技术在电子芯片冷却领域的应用有着很大期待,因而在许多实验研究直接以电子芯片作为发热源进行微通道散热器的传热性能分析,实验测试的微通道长度在10~20mm 范围内居多。
相比之下,以模块化的IGBT 模块产品为研究对象的较少,IGBT 封装模块整体尺寸相较于计算机电子芯片而言较大,通常需要设计长度大于 50 mm 的微通道,这对于单相冷却来说是不利的。因为较长的通道会造成更大的进出口温差,可能会增加IGBT 封装模块因温度不均匀产生热失控的风险,这是微通道单相冷却技术应用于IGBT 热管理的一个不容忽视的问题。有部分学者对于这一问题开展了研究,如 PAN 等为了增强微通道单相冷却均温性开发了一种用于大功率IGBT 的集成均热板微通道液冷散热器,将微通道散热器与均热板集成设计,并通过集成微通道散热器和简单微通道散热 器的对比,验证了集成微通道散热器的优良综合性能,为微通道单相冷却散热器应用于大功率IGBT 的热管理提供重要见解。 流动沸腾(两相)冷却主要是通过流体流动沸腾过程中的相变吸热将热量带走的冷却方式,凭借流动沸腾的传热特性以及微通道的微尺度效应,微通道内流动沸腾冷却有着散热器结构紧密、换热能力强、传热系数高、均温性良好和工质充注量少的优点,采用微通道流动沸腾冷却是缓解单相冷却中进出口温差大的优秀的潜在解决方案之一。微通道流动沸腾冷却在IGBT 热管理领域的部分应用研究成果如下:许茗宸针对IGBT 模块的大尺寸、高热流密度条件下的微通道流动沸腾换热,以 R134a作为冷 却介质实验研究了不同加热方向对微通道流动沸腾换热的影响。研究结果表明微通道内出现核态沸腾和强迫对流沸腾2种传热机理,底部加热的换热性能优于顶部加热,通道内流体的质量流速和加热面的热流密度对微通道壁面温度和换热系数有重要的影响;研究还基于实验数据总结了修正的换热关联式,可以较准确地预测顶部加热时的换热系数,平均 误差为16.6%。颜俏建立了适用于IGBT 模块的自然循环动力和强制循环动力下的冷却实验系统,探究了微通道单元-自然循环冷却系统的启动和换热特性以及微通道内 R134a流动沸腾换热特征和规律、微通道内 R134a流型转化以及换热机制的 转变,并基于实验数据和理论研究对微通道结构进行了优化。目前,对于微通道流动沸腾冷却应用于IGBT 模块散热方面的相关研究较少,对于面向 IGBT 模块的较大尺寸结构、较长通道长度的微通道流动沸腾散热器的结构设计、实际散热效果以及 不同热流密度下质量流量的选择等相关研究较为缺乏,微通道流动沸腾冷却对IGBT 模块的散热效果与均温性能提升的实际效果有待进一步的研究验证。 尽管对于微通道流动沸腾应用于IGBT 散热相关领域的研究较少,但学者们对于微通道流动沸腾换热的传热机理、传热性能影响因素等已经开展了广泛的研究,并取得了一定研究成果。 微通道流动沸腾换热相比单相流动换热复杂, 影响因素众多,研究方向分支广阔,涉及到沸腾换热流型演变、气泡动力学研究、沸腾换热传热特性研究、传热可靠性研究以及流动稳定性研究等方面。沸腾换热存在气泡与液体的相互作用,通道内部存在不同的流型,而不同的流型会直接影响到微通道 表面的换热效果,这给传热机理研究带来了极大的挑战。常规尺度通道中的流动沸腾传热受2种基本机制影响:一种是与壁面表面气泡的形成及气泡动力学有关的核沸腾主导机制,另一种是与通过液膜的传导、对流有关的对流主导机制。已有的对微通道传热性能研究的结果表明,微通道中的流动沸腾传热同样存在这2种传热机制的影响,其中核沸腾主导机制的强弱强烈依赖于热流密度的大小,而对流主导机制强烈依赖于质量流量,2种机制的共同作用使得流动沸腾的传热特性十分复杂,加上微尺度的影响,目前大部分传统的流动沸腾传热相关性 都不足以预测微尺度通道中的流动沸腾传热,不同工质、不同通道结构、不同流型下的传热机制难以得到统一的描述,还需要进一步研究。表5对微通道流动沸腾冷却部分实验研究结果进行了总结,学者们在不同工质、不同通道数、不同工况下进行了大量的实验研究,对揭示微通道沸腾换热不同流型下的换热规律提供了坚实的实验基础。
部分研究分析了微通道流动沸腾主要的传热机理,如 RAVIGURUAJAN 等对制冷剂 R-124 在 270mm(宽)u1.0mm(深)的微通道内的沸腾换热 开展了实验研究,当干度从0.01增加到0.65时,换热系数逐渐降低,由此推断在实验范围内,核态沸腾换热是主要的换热机理。TRAN 等在以 R-12为 工质的微通道流动沸腾的实验中发现,工质流速在 壁面过热度较大的实验条件下对换热系数影响不 大,而热流密度对换热系数起主要影响作用,此时核态沸腾为主导机制;工质流速在壁面过热度较小时对换热系数起重要影响,相反热流密度的影响不大, 此时对流换热为主导机理。KEW 等观察了微通道流动沸腾传热过程中的不同流型:单个气泡、受限气泡、柱状流和“干涸”区域,各流型下主导的传热机理不同,低干度时核态沸腾为主,干度的增加伴随着对流传热作用的增强。尽管目前实验所得结论对微通道流动沸腾的传热机理描述仍不够明晰,但大量研究表明微通道的流动沸腾受核沸腾主导机制和对流主导机制的共同作用,在干度较低、沸腾程度 不剧烈的区域内主导机制以核沸腾机制为主,传热系数受热流密度影响较明显;而在高干度、沸腾剧烈的区域受对流机制影响更大。 基于对微通道流动沸腾传热机理的一定理解, 研究者们提出了各种流动沸腾传热的预测关联式。部分学者对常规尺度通道已有的关联式进行修正, 如 CHEN 对常规通道内的流动沸腾方程进行了拓展,提出饱和沸腾的加和模型,将核态池沸腾传热系数和对流传热系数进行加和,并在后来以更多的数 据点对关联式进行了修正,适用于垂直方向流动。ZHANG 等将常规通道内的模型拓展到微 通道并进行了修正,用新的关联式对水、R11、R12、 R113实验数据进行了拟合,新关联式拟合的结果与 原实验结果的平均误差为18.3% 。除了基于常规通道的拓展,还有学者基于微通道饱和流动沸腾的实验数据分析总结了预测关联式,如 KANDLIKAR等以水、制冷剂作为工作流体的实验数据点 获得了微通道饱和流动沸腾传热的相关性。LI 等使用沸腾数、邦德数和雷诺数基于实验数据获得了微通道饱和流动沸腾传热的相关性。应该指 出的是,利用有限实验数据来总结流动沸腾传热相 关性的方法并不能真正合理地描述微通道的传热机制,这种相关性也难以扩展到其他流体和工况。 总的来说,目前,多数研究是以探究传热机理为主要目的,很多学者以均匀加热的方式对微通道流动沸腾的换热特性和机理进行了研究,但均匀加热场景与IGBT 模块等非均匀加热场景的差异性,使对应的微通道流动沸腾散热器的传热特性规律及设计需考虑的因素可能有所不同,无法直接进行参考, 而且微通道流动沸腾传热机制的复杂性使其目前仍无法得出令人信服的清晰结论,不同工质、不同通道结构、不同应用场景和实验条件下微通道流动沸腾换热的特性规律有所差异。与此同时,IGBT 模块的散热设计不仅关注内部芯片间的温度均匀性,设 计过程中还需要考虑不同芯片的温度分布与进出口相对位置的关系、合理的微通道长度、微通道内流体局部干涸的现象等问题,这些问题的解决将成为微通道流动沸腾冷却在IGBT 模块热管理领域进一步推广应用的关键。 4 结语 来源：西安工程大学学报 |
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