中心热点非均匀热流下用于增强热 - 水力及热 - 机械性能的分区异质之字形微通道

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Zoned heterogeneous zigzag microchannels for thermo-hydraulic and thermo-mechanical performance enhancement under central-hotspot non-uniform heat flux

　　

摘要

承受非均匀热流密度的电子设备热管理受到热点温度、流阻和热机械载荷耦合效应的制约。本研究提出一种分区结构-热流密度匹配策略，将内部流道拓扑与空间热流密度分布相协调。基于此概念，开发了异质锯齿形微通道（HZMC）以及两种异质不连续锯齿形微通道（HDZMC-I和HDZMC-II）。采用顺序单向共轭传热-热机械耦合框架，在入口雷诺数Re_in?=?200–740范围内，将其热-液压及热机械性能与直平行微通道（SPMC）进行对比评估。与SPMC相比，异质构型将加热面最高温度最多降低9.5?K。HDZMC-I在整体温度均匀性改善方面效果最佳，使平均绝对温度偏差降低12.2–24.4%。在低至中等雷诺数范围内，HDZMC-I展现出最优的热-液压综合性能，而在高雷诺数下HDZMC-II更为优越，在Re_in?=?740时达到最大性能评价准则1.31。当热点与背景热流密度比从1增加到14时，异质构型保持较低的峰值温度和温度偏差。在规定的单相模型及T_b,max?=?373?K准则下，HDZMC-I达到最高的条件性极限热点热流密度925?W·cm^?2，比SPMC高25.0%。在Re_in?=?740时，HDZMC-II将最大von Mises应力和总变形分别降低17.7%和24.5%。这些结果支持分区结构-热流密度匹配作为热点冷却和热机械载荷降低的有效拓扑级策略。

引言

在微电子技术向高集成度、异质集成和超高功率密度快速发展的推动下[1]，诸如GaN单片微波集成电路[2]、激光二极管[3]和光子芯片[4]等电子元件经历了热流密度的指数级增长，导致严重的非均匀热分布[5]。在实际器件中，中心热点的局部热流密度可达10³–10⁴?W·cm^-2[6], [7]——甚至比背景区域高8倍[8]——而芯片平均热流密度可超过500?W·cm^-2[9], [10]。这种极端非均匀性已成为限制电子系统性能、可靠性和使用寿命的关键瓶颈，因为中心热点不仅引起过高的局部温升，还在芯片表面产生显著的温度梯度，进而诱发热应力和热变形[11], [12]。这些问题直接损害器件效率：例如，大功率LED在工作温度从25?°C升高到85?°C时，光效降低40%[13], [14]，热应力可导致芯片界面分层或结构损伤[15]。随着器件持续小型化和功率密度不断上升，解决中心热点冷却问题同时实现热性能、流阻和结构可靠性之间的平衡，已成为紧迫的工程瓶颈。

分区异质微通道设计通过将局部冷却结构与空间热流密度分布相匹配来应对这一挑战[16], [17], [18]。具体而言，该概念下的核心策略是通过分区结构定制实现区域热流密度匹配，其原理是根据热点和背景区域各自的热流密度大小，设计差异化的微通道几何结构——如翅片密度[19]、针翅形状[20]、流道路径布局[21]——专门针对热点和背景区域进行定制。热点区域采用更密集或更具扰动的结构以增强局部冷却能力，而背景区域则保留相对简单的流道以限制不必要的流阻。这种区域依赖的布局缓解了均匀冷却结构与不均匀热生成之间的失配。

对文献的综合回顾表明，分区微通道散热器通常通过以下三种代表性策略实现区域热流密度匹配：（1）第一种是热点偏置流量分配——通过定制压力场和流阻网络来重新分配冷却剂供应，优先考虑高热流密度区域的散热。例如，Green等人[22]提出了具有两个解耦回路的F2/S2混合散热器，实验证明其可持续承受高达365?W·cm^?2的热点热流密度（背景热流密度约～20?W·cm^?2），且压力损失极小，并预测散热能力接近1?kW·cm^?2。类似地，Sharma等人[23], [24]为多核处理器开发了具有非均匀几何形状的歧管微通道散热器，证明在泵功损耗低于1%的情况下可降低芯片级温度梯度。Rao等人[10]实现了热点导向的混合布局，将密集针翅与背景直通道相结合；该设计有效降低了压降并缓解了温度不均匀性，与优先质量流输送机制一致。此外，Cao和Wu[25]利用歧管环形微通道实现了优异的流量分配，同时显著降低了压降。在静态设计之外，最近利用形状记忆合金和热响应水凝胶的自适应方案已被引入，以动态调节局部流阻，从而强化热点靶向流量分配[26], [27], [28]。（2）第二种策略是在液压高效背景内进行热点局部强化，将高阻力结构仅限制在热点区域。例如，Lorenzini等人[19]和Sarvey等人[29]证明局部针翅簇可有效降低局部热阻。Ansari和Kim[30]在热点区域采用圆柱形翅片，在Re?=?800时以仅适度的泵功增加实现了显著的热阻降低。将该策略扩展到材料复合材料领域，Tikadar和Kumar[31]提出了水冷固体-铝金属泡沫混合结构。在250?Pa至400?Pa的压降范围内，该优化混合结构将峰值结温保持在85?°C以下，同时相比传统固体翅片布局提高了允许的热点热流密度。（3）第三种策略采用涡流辅助混合强化技术，引入成型或扭曲的几何特征（如扭曲翅片或涡流发生器）以诱发三维二次流，从而促进横向混合和横向焓输运。通过反复破坏热边界层并更新近壁冷却剂，该策略在高度非均匀热流密度条件下缓解热点温度并降低温度梯度。在此框架下，Soleymani等人[20]和Raza等人[32]重新设计了热点区域的针翅结构，证明扭曲翅片产生强二次涡流，增强混合并使温度不均匀性降低高达57%。类似地，Lu等人[33]研究了在热点/背景热流密度为400/50?W·cm^?2条件下配备涡流发生器的微通道散热器，报告称与光滑微通道相比，泵功降低高达78.8%，同时保持相当的热性能。

尽管取得了这些进展，仍存在两个局限性。首先，许多现有的热点导向设计通过将冷却剂重新分配至热点或添加局部高阻力强化结构来改善冷却，而空间热流密度分布与内部流道拓扑之间的协调匹配尚未得到充分探索。其次，大多数研究强调热-液压指标，如传热强化、压降和温度均匀性，而几何诱导的流量再分配、表面温度不均匀性和热机械响应之间的耦合关系仍未被充分量化。

为解决这些局限性，本研究开发了用于中心热点非均匀加热的分区异质锯齿形微通道。背景区域保留相对低阻力的流道，而在热点区域引入锯齿形和不连续锯齿形肋条，以促进流动偏转、局部流动再发展、混合和跨通道输运。与均匀强化或简单的热点局部强化不同，本设计将内部肋条拓扑与施加的热流密度分布相协调。主要贡献如下：（1）基于结构-热流密度匹配概念开发了三种分区异质锯齿形微通道构型；（2）建立了统一的单向CHT-热机械耦合框架，以评估中心热点加热下的热、液压和热机械响应；（3）通过与常规直平行微通道的比较，考察了将几何诱导的流量再分配与热点冷却和热机械载荷降低联系起来的机理。

章节片段

几何描述

所研究的散热器构型如图1和图2所示。本研究考虑了四种构型：常规直平行微通道散热器（SPMC）、异质锯齿形微通道（HZMC）以及两种异质不连续锯齿形微通道（HDZMC-I和HDZMC-II）。SPMC不含热点导向的结构调制，用作内部基线。所有构型具有相同的外部尺寸、腔室几何形状、通道

热性能比较

采用加热面最高温度T_b,max来比较热点冷却性能。图6(a–c)展示了入口雷诺数从Re_in?=?320到680范围内SPMC、HZMC、HDZMC-I和HDZMC-II构型的表面温度云图，各子图中标注了相应的峰值温度。对于所有构型，高温主要集中在热点区域，并伴随热点与

结论

本研究开发了三种分区异质微通道构型——HZMC、HDZMC-I和HDZMC-II，并在相同几何和运行条件下，与SPMC基线对比评估了它们的热-液压和热机械性能。主要结论如下：

• (a)
  所有三种异质构型均改善了热点冷却和加热面温度均匀性。与SPMC相比，加热面最高温度最多降低9.5?K。HDZMC-I提供

CRediT作者贡献声明

曲久哲：写作 – 原稿，验证，软件，方法论，正式分析。 张伟：写作 – 原稿，可视化，方法论，经费获取，概念化。 张本喜：写作 – 审阅与编辑，验证。 王曦：方法论，经费获取。 陈宇杰：方法论，经费获取，数据管理。 于波：写作 – 审阅与编辑，经费获取，正式分析。 孙东亮：正式分析，数据管理。 杨艳茹：监督。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作受国家自然科学基金（52076015, 52536006, 12405191）资助。

曲久哲|张伟|张本喜|王曦|陈宇杰|于波|孙东亮|杨艳茹|王晓东