微通道散热技术的应用和发展趋势

微通道散热方式是近代传热领域的重要创新和突破［1］，其机理在于它采用的极为细密的流道结构不仅能大幅度增加比换热面积，同时也减薄了边界层厚度，有效提高了对流换热系数。目前典型的微通道散热器件水力直径约为数十或数百微米，能承载的热流密度可高达100～1 000 W／cm2量级［11］，远超当前大多数电子器件的热流极限。

考虑材料热物性和加工性能，微通道的结构材料一般采用无氧铜或硅，加工途径可采用光化学刻蚀、湿刻蚀、线切割或激光切割等方法。驱动泵是微通道系统的核心部件之一，在微流控芯片领域已经对此进行了广泛而深入的研究，典型的微通道驱动泵包括叶轮泵、压电泵、电磁泵、电渗泵等［12］。微通道散热技术的两个核心问题在于其流动阻力和传热性能的评估。实际微通道的总阻力包括进口和出口段局部阻力，以及考虑进口段的通道沿程阻力，可表示为［13］：

其中，Δp为微通道总阻力压头，ρ为工质密度，V为流速，Re为雷洛数，Dh为水力直径，f为沿程阻力系数，μ为黏度，L为通道长度，ki、ko分别为进口和出口的局部阻力系数，k（x）为Hagenbach因子。式（1-3）右边第一项描述了进出口的局部阻力，第二项描述了充分发展段的沿程阻力，而第三项代表了修正的进口段沿程阻力。传热特性方面，微通道的传热热阻可表示为［5］：(www.xing528.com)

其中，δ为微通道底板厚度，λ为微通道材料热导率，A为底板传热截面积，h为微通道内对流换热系数，N为通道数量，Abase、Afin分别为单条微通道底面和侧面面积，nf为微通道翅片效率，Cp为工质热容，mc为工质质量流量。由式（1-4）可知，微通道的传热热阻包括底板导热热阻、通道内对流热阻，以及由于流体自身温升所导致的热容热阻，通道数量越多，总热阻越小。

尽管微通道散热技术具有非常高的换热系数，但其运行阻力大、泵功高，同时在超高热流密度下也有两相传热失稳或恶化风险［1］。近些年，随着更高密度芯片集成需求，3D芯片技术逐渐成为高端芯片发展的重要方向。多块晶圆的垂直堆叠带来了尤为棘手的内部热点问题，而微通道则是解决此类问题的有效途径之一［14］。总的来说，微通道散热是一项非常重要的技术，其优异的性能确保了其持续成为高端芯片散热技术的研究热点。