納米管技術(shù)的新型微通道冷卻器研究

1、基于碳納米管技術(shù)的新型微通道冷卻器研究 1 張 燕 *,2 , 樊靖郁 *, 劉建影 *,*(新型顯示技術(shù)及應(yīng)用集成教育部重點實驗室,中瑞聯(lián)合微系統(tǒng)集成技術(shù)中心,上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院, 上海 200072*(上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所,上海大學(xué),上海 200072*(查爾姆斯理工大學(xué),哥德堡 SE-412 96,瑞典摘要 目前應(yīng)用于微電子散熱系統(tǒng)的微通道冷卻器具有體積小、散熱效率高、消耗功率低等優(yōu)點。隨著超 大規(guī)模集成電路和高密度封裝技術(shù)的迅猛發(fā)展,器件集成度不斷提高,性能日益增強。為應(yīng)對高功率芯片 帶來的更嚴峻散熱要求, 本文利用碳納米管優(yōu)良的導(dǎo)熱性, 在硅片上定向生長碳納米管簇陣列

2、制備得到新 型微通道冷卻器。實驗測試分析了不同發(fā)熱功率條件下,碳納米管微通道冷卻器的散熱性能,并將其與無 內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及硅基槽道的常規(guī)微通道冷卻器進行了比較。 此外, 對內(nèi)部存在陣列結(jié)構(gòu)的微通道冷卻器流場 和溫度場進行了數(shù)值模擬, 以分析不同流速、 陣列結(jié)構(gòu)的幾何和材料參數(shù)對微通道冷卻器散熱特性的影響。 關(guān)鍵詞 微系統(tǒng)封裝,碳納米管,散熱,微通道引 言隨著微電子工業(yè)的發(fā)展,集成電路規(guī)模朝著不斷提高集成度、減小尺寸及增加時鐘頻率的趨勢 發(fā)展,封裝密度進一步增大。電子器件的高頻、高速以及集成電路的集成化和小型化,使得單位容 積電子器件的總功率密度大幅度地增長。由于功耗大部分轉(zhuǎn)換為熱能,單位體積功耗的

3、急劇增加將 導(dǎo)致芯片工作溫度顯著上升甚至失效。為適應(yīng)目前高性能、高集成度芯片制造技術(shù)帶來的及時有效 散熱要求,必須更有效提高微冷卻器的散熱能力,以達到在極其有限的空間內(nèi)進行高效散熱、改善 超大規(guī)模芯片工作運行條件,從而提高其可靠性和使用壽命的目的。目前微電子散熱系統(tǒng)按照散熱方式可分為風(fēng)冷、液冷、熱管、制冷芯片等。其中風(fēng)冷散熱技術(shù) 是最常見的,但其冷卻效率相對較低且對環(huán)境依賴較高,例如氣溫升高以及超頻時,其散熱性能就 會大受影響。 液冷技術(shù)則采用液體作為冷卻介質(zhì), 如可利用液體工質(zhì)的強迫對流帶走散熱器的熱量, 液體因單位體積熱容遠大于氣體,與風(fēng)冷技術(shù)相比具有安靜、降溫穩(wěn)定、對環(huán)境依賴小等優(yōu)點。

4、自二十世紀(jì)八十年代在硅基上成功蝕刻出微通道冷卻器 1以來,因其高效的定點冷卻能力、緊 湊的結(jié)構(gòu)和可與現(xiàn)有芯片制造工藝直接結(jié)合等優(yōu)點,在超大規(guī)模集成電路和高功率器件的熱管理方 面得到了越來越廣泛的應(yīng)用 2。圖 1所示為一種應(yīng)用于功率芯片的微通道冷卻器結(jié)構(gòu)示意圖。隨著 微電子器件對散熱的要求越來越高,液體工質(zhì)能夠提供更高的冷卻效率,因而微通道液冷散熱系統(tǒng) 逐漸成為高功率器件和芯片較為理想且具有發(fā)展前景的一種散熱技術(shù)。同時,若要進一步提高微通道冷卻器的散熱能力,一個可行的途徑是提高冷卻介質(zhì)與通道內(nèi)表 面之間的熱交換能力。 碳納米管 (CNT 具有非常優(yōu)良的導(dǎo)熱性能, 目前在不同基質(zhì)上定向生長 CNT

5、 的技術(shù)已較為成熟,大規(guī)模制備高純度、高密度、任意分布的自排列 CNT 陣列也有報道 3,4,還可將 其作為散熱材料(如納米流體應(yīng)用于微電子散熱系統(tǒng) 5,6。而結(jié)合強迫對流液冷技術(shù)開發(fā)基于優(yōu)良 導(dǎo)熱材料的微通道冷卻器,其冷卻能力可以大大超過常規(guī)風(fēng)冷和液冷技術(shù)所能達到的水平,可望進 一步提高其散熱能力。本文在以往研究工作基礎(chǔ)上 7,8,以定向生長 CNT 簇陣列作為冷卻器內(nèi)微通道 構(gòu)成材料,制備出 CNT 微通道冷卻器,以有效提高冷卻介質(zhì)與通道內(nèi)表面之間的熱交換能力。1 國家自然科學(xué)基金(10702037、上海市浦江人才計劃(08PJ14054和上海市教委科研創(chuàng)新項目(09YZ01資助2 E-m

6、ail: yzhang 圖 1 微通道冷卻器結(jié)構(gòu)示意圖1 實驗 樣品制備本文微通道實驗樣品由按照設(shè)計布局的 CNT 陣列所形成。 CNT 采用化學(xué)氣相沉積(CVD方 法制備,由于 CNT 是生長在催化粒子上,因此可以通過工藝設(shè)計得到特定位置分布的催化粒子,進 而得到按照設(shè)計催化粒子圖形生長的 CNT 陣列,最終制備得到 CNT 微通道冷卻器。本文實驗選用蒸鍍方法準(zhǔn)備催化粒子圖形, 其優(yōu)點在于蒸鍍法具有方向性, 結(jié)合光刻和剝離工藝, 可以制成細微尺度的圖案。圖 2為具體工藝流程的示意圖。首先在硅基底片上旋涂剝離膠,再在其上 旋涂一層光刻膠, 經(jīng)過約 30秒的 UV 光刻和 45秒左右的 MF31

7、9沖洗流程后, 形成預(yù)設(shè)計微通道布局 結(jié)構(gòu)。蒸鍍催化劑薄膜,然后將硅片置于去除劑中去掉剝離膠、光刻膠和附著在光刻膠上的催化劑薄 膜部分,在硅片上形成設(shè)計圖案的催化劑層。隨后,將載有催化粒子薄膜圖案的硅片以 CVD 合成得 到 CNT 陣列。 圖 2 催化粒子圖案工藝流程圖 3給出了定向生長于硅片上的 CNT 陣列 SEM 圖像, 從圖 3可以清晰地觀察到縱向平行排列的 CNT 簇。這些平行排列的 CNT 簇組成了微通道冷卻器內(nèi)熱沉材料,從而構(gòu)成微通道冷卻器的主要部 分。 圖 3 CNT陣列 SEM 圖像制備得到按照設(shè)計圖形定向生長的 CNT 陣列后,用粘合劑將封蓋和載有 CNT 陣列的硅片粘合

8、起 來,構(gòu)成 CNT 微通道冷卻器。為了實現(xiàn)電路與微通道冷卻器的集成,并直接測量功率器件和冷卻器 之間的熱阻,在硅片背面制備了發(fā)熱電阻,以代表不同功率芯片熱源。為得到對 CNT 微通道冷卻器的散熱性能評價,另外還制作了具有相同幾何尺寸但不含內(nèi)部結(jié)構(gòu) 的微通道樣品,以及內(nèi)部槽道為硅材料的常規(guī)微通道冷卻器,做為參考樣品。2 實驗結(jié)果與分析首先,在恒定水壓(9000Pa 條件下,實驗測量微通道冷卻器樣品的散熱特性。對兩種樣品進行 測試,一種為內(nèi)部存在 CNT 陣列的微通道冷卻器,其散熱面積為 10mm ×4mm ,內(nèi)部 CNT 陣列高 400m 、寬 50m 、陣列間距 50m ;另一種為

9、具有同樣幾何尺寸,但內(nèi)部不含任何結(jié)構(gòu)的微通道。 通過記錄輸入電流和電壓計算出所施加的發(fā)熱功率,并在出口處測量通過微通道的流體流量, 同時以熱電偶測量功率器件表面的溫度。整個測試過程在室溫下進行,分別對三種不同輸入功率進 行了測量,實驗結(jié)果列于表 1中,其中 P c 為器件發(fā)熱功率, T c 為器件表面溫度。在集成電路冷卻系 統(tǒng)中, 通常采用熱阻 R 來衡量散熱能力, 定義為 R = T /P , 其中 P 是功率, T =T surfacec -T ref , 其中 T surface 為 集成電路器件中某一表面或界面處的溫度, T ref 為相對參考溫度。表 1中, R 為根據(jù)發(fā)熱功率、發(fā)熱

10、 器件表面溫度 T c 和實驗時室溫計算所得的熱阻值。從實驗測量結(jié)果可以看出,盡管通道內(nèi) CNT 陣列 的存在使通過微通道的流量降低了約 12%,但冷卻器的散熱性能則有了明顯提高。以內(nèi)部有 CNT 陣 列的微通道冷卻器在 8.9W 時與內(nèi)部無結(jié)構(gòu)的微通道冷卻器在 7.2W 的的測試結(jié)果為例,前者功率比 后者高出 23%,但是前者由于 CNT 陣列的存在,使得微通道冷卻器的溫度比參考樣品低 6°C,說明 引入 CNT 陣列可有效提升微通道冷卻器的散熱性能。表 1 微通道冷卻器測試結(jié)果微通道冷卻器 1-1 (CNT 陣列 微通道冷卻器 1-2 (內(nèi)部無結(jié)構(gòu)流量 (ml/s 6.1 7.0

11、 室溫 (°C 21 20 P c (W 8.9 15.625.77.2 11.319.6T c (°C 48 72 10854 76 119R (K/W 3.0343.2693.3854.7224.9565.051為進一步分析 CNT 微通道冷卻器的散熱性能, 并將其與常規(guī)的硅基微通道冷卻器進行比較, 本 文研究中進而制備了三種不同的微通道冷卻器, 一種是內(nèi)部有寬 50m 、 高 100m 、 長 10mm 的 CNT 陣列,另一種是內(nèi)部有寬 50m 、高 300m 、長 10mm 的硅基槽道,還有一種是不含內(nèi)部結(jié)構(gòu)。三種 微通道的冷卻區(qū)均為橫截面為 0.3mm 高、 4

12、mm 寬,長度 10mm 。整個測試過程在室溫 23°C的條件 下進行。與表 1中測試工況不同的是,此次測試由微型水泵提供穩(wěn)定流量,以控制更低流速,同時 可施加更高功率密度。測試結(jié)果見表 2。表 2 微通道冷卻器測試結(jié)果微通道冷卻器 2-1 (CNT 陣列 微通道冷卻器 2-2(硅槽道微通道冷卻器 2-3 (內(nèi)部無結(jié)構(gòu)流量 (ml/min 35.7 38.5 34.5 P c (W 2.13 1.95 1.95T c (°C 42 42 50R (K/W 8.920 9.744 13.85從表 2結(jié)果可見, 三種冷卻器均表現(xiàn)出較好的散熱性能, 尤其是前兩種樣品比第三種有明顯

13、改善, 其原因主要是由于冷卻器內(nèi)部引入了槽通道結(jié)構(gòu)的緣故。而在施加了更高功率密度和更低流速的情況 下, CNT 陣列冷卻器的發(fā)熱面溫度取得了與高度更高(即換熱面積更大的硅基樣品相同的效果,充 分表明 CNT 陣列的散熱性能相比硅基微通道冷卻器有較大提高。 樣品 2-1中的 CNT 陣列高為 100m , 而樣品 2-2中硅陣列的高為 300m , 是樣品 2-1的 3倍。 即使假設(shè) CNT 陣列在達到相同高度時的換熱 效果增加 1.5倍, CNT 微通道冷卻器比常規(guī)的硅基微通道冷卻器的散熱性能也可以提高約 40%以上。3 數(shù)值模擬在實驗研究的基礎(chǔ)上,本文采用計算流體動力學(xué)(CFD 方法,對微通

14、道散熱器內(nèi)部流場和溫度 場進行數(shù)值模擬。以下僅給出內(nèi)部存在陣列結(jié)構(gòu)的微通道散熱器進行的二維數(shù)值模擬結(jié)果,以便為進 一步進行 CNT 微通道冷卻器的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供定性指導(dǎo)。計算網(wǎng)格如圖 4所示,在布置 CNT 陣列 處及其鄰近區(qū)域進行了局部網(wǎng)格加密。 圖 4 計算網(wǎng)格首先將典型模擬結(jié)果與測試結(jié)果進行比較,以驗證模擬方法的可靠性。圖 5給出了 CNT 微通道 散熱器的數(shù)值模擬和實驗測試結(jié)果的比較, 兩者變化趨勢吻合較好, 說明了模擬方法和結(jié)果的有效性。 圖 5 數(shù)值模擬與實驗測試結(jié)果比較本文對微通道冷卻器的流動和傳熱特性進行了數(shù)值模擬, 得到不同進口流速、 微通道結(jié)構(gòu)情況下, 微通道冷卻器的壓力

15、降、散熱率等性能參數(shù)的變化。首先,考慮冷卻器內(nèi)不同陣列個數(shù)情況,根據(jù)模 擬結(jié)果,微通道內(nèi)陣列的個數(shù) M 對冷卻器傳熱性能有重要影響, M<20時,冷卻區(qū)域內(nèi)流體的最高溫 度和平均溫度隨 M 的增加而迅速降低, 可以通過改變陣列結(jié)構(gòu)改善散熱性能。 其次, 考慮不同進口流 速的計算結(jié)果可知,流速的增大也可以降低導(dǎo)熱陣列溫度、增強冷卻器的散熱性能。但與此同時,進 出口的壓降隨 M 的增加以及進口流速的提高, 表現(xiàn)出接近于線性增長的趨勢。 在實驗樣品測試過程中 可以觀察到,過大的壓降會在一定程度上損傷 CNT 陣列,從而影響微通道冷卻器的可靠性。因此, 在微通道內(nèi) CNT 陣列布局時,應(yīng)綜合考慮

16、其結(jié)構(gòu)設(shè)計及 CNT 陣列穩(wěn)定性,以達到更佳冷卻效果。 此外,模擬中還對微通道內(nèi)陣列為不同導(dǎo)熱率材料的情況進行了計算,以分析有效導(dǎo)熱系數(shù)對散 熱性能的影響。在導(dǎo)熱率為 1400W/mK的計算范圍內(nèi),進出口之間的壓降并無明顯變化。隨著導(dǎo)熱 系數(shù)的增加, 陣列中最大及平均溫度在初始范圍內(nèi)快速下降, 隨后趨于平緩, 而最小溫度卻緩慢上升。 當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)小于 50W/mK時,冷卻器散熱性能較差。在 CNT 微通道冷卻器的實際熱傳導(dǎo)應(yīng)用中,由 于 CNT 導(dǎo)熱的各向異性,即橫向熱傳導(dǎo)率遠低于其軸向數(shù)值,因此有必要進一步研究 CNT 的實際橫 向?qū)嵯禂?shù)。4 結(jié) 論1 微通道液冷散熱系統(tǒng)是目前高功率器件和芯

17、片比較理想且可行的一種高效散熱技術(shù)。 本文研 究利用碳納米管的優(yōu)良導(dǎo)熱性,研制基于碳納米管陣列的新型微通道冷卻器,其主要優(yōu)點為更高效 的冷卻能力和可與現(xiàn)有器件制造工藝直接結(jié)合。2 在成功制備得到新型微通道冷卻器樣品后, 為應(yīng)用于未來大功率芯片的及時有效散熱提供參 考,本文通過實驗測量分析其散熱性能,并與同樣尺寸的無內(nèi)部結(jié)構(gòu)微通道樣品和傳統(tǒng)硅槽微通道 冷卻器進行比較。實驗結(jié)果表明,引入碳納米管陣列制備的微通道冷卻器的散熱效果有明顯改善, 并表現(xiàn)出比常規(guī)硅基微通道冷卻器更加優(yōu)良的導(dǎo)熱性。3 在實驗研究的基礎(chǔ)上, 本文還對內(nèi)部存在陣列結(jié)構(gòu)的微通道冷卻器流場和傳熱特性進行了數(shù) 值模擬,考慮不同流速、陣

18、列結(jié)構(gòu)的幾何與材料參數(shù)對微通道冷卻器散熱特性的影響,為進一步的 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計提供定性指導(dǎo)。參 1 2 3 4 126-129. 考 文 獻 Tuckerman DB, Pease RFW. High performance heat sinking for VLSI. IEEE Electron Device Lett., 1981, EDL-2: 董濤. 微管道換熱器內(nèi)微流體的流動與換熱. 博士論文，南京理工大學(xué)，2003. Chein R, Huang G. Analysis of microchannel heat sink performance using nanofluids.

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24、ty, Shanghai 200072 * (Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics, Shanghai University, Shanghai 200072 * (Chalmers University of Technology, SE-412 96 Gothenburg, Sweden Abstract The microchannel cooler has been considered as one of the promising cooling solutions for thermal removal t

25、echniques in microelectronics system due to its small volume, high heat transfer coefficient and low power consumption. With the rapid development of the very-large-scale-integrated (VLSI circuit and high density packaging techniques, the chip become higher and higher in packaging density and perfor

26、mance. In order to meet the thermal removal requirement as the electronics industry moves towards higher packaging density and more severe operation condition, the present paper presented the integration of the CNT fins with microchannel manufacture and prepared a novel CNT-based microchannel cooler. The experimental measurement was carried out to investigate the heat transfer performance of the C