0.   引　言

隨著科學技術和現代工業的快速發展，為提高空間利用率，大功率電子器件尺寸越來越小，內部結構越來越緊密，載荷功率密度越來越大，單個電子設備能流可以達到上千瓦，這些特征導致器件工作時產生的熱量無法及時消散，產生的過高溫度會影響器件的正常運行，甚至會導致熱失效，因此微電子器件熱管理系統的設計以及輕質高效冷卻部件的應用十分關鍵[1-2]。熱管理技術是通過協調系統中各換熱或散熱部件來對溫度進行控制和調節的技術，這些換熱或散熱部件就是熱管理部件。通過應用熱管理部件可以為系統提供更好的溫度條件，使得整個系統可以維持平衡，從而安全可靠地長壽命運行。 

微電子器件迅速增加的熱流以及對高效率冷卻性能的需求促進了微通道熱管理部件的發展。1981年，TUCKERMAN與PEASE針對集成電路散熱問題提出了“微通道熱沉”的概念，這也是第一次提出利用微通道解決散熱問題的觀點[3]。與常規散熱器相比，微通道散熱器的表面積/體積比大，單位面積換熱效率高，質量輕，在高密度集成微電子器件熱管理方面得到快速發展[4-5]。為了給相關人員提供參考，作者在熱管理技術發展的背景下，介紹了微通道熱管理部件的應用現狀，總結了不同微通道流道結構對傳熱性能的影響，并在對比了微米級減材加工工藝和增材制造技術的基礎上，重點闡述了以化學刻蝕和擴散焊接為主要工序的疊層增材制造技術在加工復雜微通道熱管理部件方面的應用。 

1.   應用背景

微通道熱管理部件因具有整體尺寸小、結構緊湊、流體運動規律復雜等特點，其傳熱效率遠高于傳統熱管理部件，因此廣泛應用于航空航天、軍事、電子芯片等高度專業化領域。 

近年來軍事電子和微波器件發展迅速，大功率電子芯片呈現出小型化、高集成度的發展趨勢，這導致電子元件的功率增大，熱流密度增加且分布不均勻，局部熱點問題越來越嚴重，因此高效換熱或散熱部件的研究十分關鍵。氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管具有寬帶隙和高電子飽和速率的優點，在電力系統領域備受關注。但是，在工作過程中GaN晶體管中會產生高熱通量，當溫度過高時會出現局部熱點，影響晶體管的綜合性能[6]。針對這一情況，Al-NEAMA等[7-9]采用蛇形水冷微通道散熱器對GaN晶體管進行冷卻，研究發現蛇形微通道結構在破壞熱邊界層、改善傳熱方面起著至關重要的作用；通過試驗與數值模擬結合的方法對比了不同路徑蛇形微通道的流體流動特性與傳熱特性，發現通道的彎曲會阻止流體流動和熱邊界層的發展，單路徑蛇形微通道的綜合傳熱性能最優，多路徑蛇形微通道的傳熱效率很高，但這是以流體的大壓降作為代價的；在蛇形微通道模型的基礎上，引入翅片創建了蛇形微通道內的次通道，主、次通道結構在降低散熱器熱阻和增強對流換熱上起到顯著作用，壓降和總熱阻分別降低60%和10%。XIA等[10]針對高速運轉驅動電機的電動主軸在工作過程中產生較大的熱量而導致熱變形的情況，對分形樹狀通道和傳統螺旋通道冷卻套管的傳熱和壓降特性進行了數值分析，發現與傳統螺旋通道相比，分形樹狀通道具有更低的壓降以及更均勻的溫度場。 

超高溫反應堆是一種燃料利用率高的熱中子譜反應堆，反應堆核心具有高熱通量，中間換熱器將熱量從超高溫反應堆系統中的第一個回路傳遞到第二個回路，從而提高了熱量利用率。超高溫反應堆系統的效率和成本受中間交換器的影響，傳統管殼式換熱器無法滿足小空間大面積傳熱的要求，而微通道換熱器的體積小、傳熱效率高，可以滿足超高溫反應堆的工作環境[11]。MA等[12]研究了超高溫反應堆工況下鋸齒形微通道換熱器（內部冷板和熱板交替排列）的局部傳熱和壓降機理，發現鋸齒形通道可以起到擾亂流體流動和增強傳熱的作用，傳熱和壓降隨著鋸齒形通道相對于水平方向的傾斜角度的增加而增大，在實際應用中需考慮質量流量與傾斜角的匹配問題。CHEN等[13]和FIGLEY等[14]針對超高溫反應堆的典型工作條件，設計制造了一款鋸齒形微通道換熱器，研究發現在溫度802 ℃和壓力2.7 MPa下鋸齒形微通道具有更好的整體傳熱性能，層流狀態下和過渡流狀態下的傳熱系數分別為直圓管微通道的2～3倍和1.5～3.0倍。 

高效能源轉換、調解能源生產是解決能源短缺的重要方式，太陽能是發展所必需的可再生清潔能源之一，關于提高太陽能熱電站效率的研究已經十分廣泛。高聚光光伏（high concentrator photovoltaic，HCPV）是一種極具潛力的清潔發電方式，所采用的太陽能電池可以提供高能量通量。在實際應用過程中，只有小部分太陽輻射會被高聚光光伏電池吸收，大多數太陽輻射轉化為熱能，導致電池表面溫度過高，這可能造成表面缺陷，對電池的性能產生負面影響，因此需要高效率的冷卻系統來降低電池溫度、提高溫度分布均勻性[15-16]。TANG等[17]設計了一種具有新型歧管超薄微型針翅散熱器的緊湊型高聚光光伏系統，在1 000倍太陽光能量密度下該系統表現出優異的冷卻性能和溫度均勻性，電池平均溫度可降至51 ℃，溫度不均勻性僅為3.4 ℃，相比常規混合射流微通道和變寬度微通道設計，其溫度不均勻性明顯降低；隨著入口冷卻液流量的增加（1.5～12 kg·h−1），電池的平均溫度及其不均勻性進一步降低，凈電效率顯著提高，但當入口冷卻液流量超過23.5 kg·h−1時，壓降急劇增加，導致凈電效率下降。HONG等[18]為實現太陽能電池在散熱的同時進行熱回收，提出了一種結合沖擊射流和微通道流動沸騰的徑向膨脹微通道散熱器，冷卻介質通過中央入口流入散熱器中沸騰，并沿徑向陣列通道流動；通過實時太陽跟蹤測試得到，該微通道散熱器在各取向角（微通道散熱器相對于水平方向的傾斜角度，0°，30°，45°，60°，90°）下工作良好，保持了優異的流動沸騰性能，電池表面最高溫度保持在110 ℃以下，可以應用于現實生活中的高聚光光伏光熱混合系統。 

2.   微通道結構

微通道的尺寸、幾何結構對熱管理部件最終的傳熱效率有顯著影響。隨著通道寬度的減小，傳熱路徑縮短，對流傳熱系數增大，熱阻呈降低趨勢，這是微通道熱管理部件可以實現高效傳熱的原因之一[19]。根據流體流動路徑，微通道可以分為連續型和非連續型微通道。連續型微通道包括直通道、波浪形通道、蛇形通道、鋸齒形通道等，流體在各通道內單獨流動。非連續型微通道由翼型翅片、肋片或鰭片規律排列組成，不同通道內的流體可以匯合，該結構微通道可在保證傳熱的同時，實現相對較低的壓降[20]。除了上述常規微通道結構外，研究人員在自然界中樹干、葉脈、哺乳動物呼吸系統等結構的啟發下，設計了許多新型仿生拓撲微通道結構，這類結構具有一系列連續的分支通道，傳熱效率更高，壓降更小，溫度分布更加均勻[21-23]。 

直通道是最基本的微通道類型，適合應用在要求低壓降的工作環境中，對直通道結構進行調整后可以改善其傳熱性能[13, 24]。CHENG等[25]以蒸餾水為工作流體，對比了不同錐度比的錐形通道和直通道的傳熱系數和壓降，發現高錐度比會導致流體更早過渡到湍流，在較低的雷諾數下具有更大的傳熱系數和更高的壓降。MESHRAM等[26]通過數值模擬方法對比發現：鋸齒形通道在相同熱容量下的體積比直通道顯著減小，但壓降更高，主要是因為流動擾動增強帶來了傳熱強化效應；鋸齒形通道的傳熱系數隨鋸齒彎曲角的增加而增大，隨線性間距的增加而降低，因此較大彎曲角和較小線性間距下鋸齒形通道的傳熱性能更好，但二者均會導致壓降顯著升高。雖然鋸齒形通道能大幅縮減換熱器體積，但其高壓降可能削弱其循環效率，因此需權衡傳熱強化與壓降損失以實現性能平衡。 

非連續型微通道中的翼型翅片、肋片等結構對增強微通道熱管理部件的傳熱效率有著顯著作用，這些結構打斷了冷卻介質的運動和熱邊界層，流暢的線型抑制了流體的流動分離，促進了流體均勻流動[27]。CHUNG等[28]將氮氣作為工作流體，對比了翼型翅片通道和直通道的綜合性能，發現在給定的入口條件下，翼型翅片通道具有更高的單位體積傳熱速率和單位長度壓降。SAEED等[29]對交錯排列的正弦鰭片通道進行了數值模擬研究，發現正弦鰭片平穩地改變了工作流體CO2在通道內的流向，避免了出現再循環和分離區，與傳統鋸齒形通道相比，鰭片優化的通道綜合性能顯著提高。 

仿生拓撲微通道結構具有周期性的邊界層間斷和強烈的流動混合特性，可以改善傳熱和壓降性能。ZHOU等[23]受葉脈結構啟發提出了一種新型均熱板，系統分析了冷卻水溫度和質量流量對傳熱性能的影響，發現：葉脈結構能有效促使冷凝水以低水力阻力回流到蒸發區，降低冷卻水溫度，同時提高冷卻水質量流量可以降低總熱阻；該均熱板可以承受20～500 W的寬范圍熱負荷，其傳熱性能未出現明顯下降，最小熱阻為0.029 ℃·W−1。YAN等[30]在Y分形通道換熱器的基礎上，通過數值模擬研究了水凝膠嵌入位置對分形通道熱沉自適應冷卻的影響，發現：水凝膠的嵌入起到調控流體流速的作用，可幫助分形通道換熱器處理更大范圍密度的熱流；在一級分支中嵌入的水凝膠不易變形，適合處理高熱通量的情況，在二級分支嵌入的水凝膠對芯片局部熱點的探測更靈敏，也更容易發生變形，適用于低熱通量的情況。綜上，在整體體積保持不變或整體尺寸更小的情況下，微通道熱管理部件的內腔結構越精準復雜，其傳熱性能的改善效果越顯著[5]。 

3.   加工技術

3.1   典型微米級部件加工技術

隨著制造業對部件加工精度要求的提高，微米級高效高精度加工技術的研究與應用引起了產業界和學界的高度關注。表1列舉了典型微米級部件加工技術的原理及其優勢和局限性。微米級減材加工工藝（微機械加工、微電火花加工、微沖壓、微液壓成形、激光加工、聚焦等離子蝕刻）改善了傳統加工技術如車削、銑削等直接加工小尺寸工件時出現的微觀尺度問題，如表面質量和尺寸精度難以控制、熱量集中、應力和變形較大等。雖然表中列舉的微米級減材加工工藝在微米級部件制造領域展示出優勢，但若用于加工微通道熱管理部件仍存在一定的局限性。首先，這些工藝會受到材料厚度和幾何結構復雜程度的限制，難以加工出深寬比大和結構復雜的溝槽。其次，為滿足高強度和耐高溫要求，微通道熱管理部件一般選用合金材料，如不銹鋼、高溫合金等，微米級減材加工工藝對這些材料的加工難度較大，難以實現微通道熱管理部件的高精密度和可重復性，導致流道間距不均勻或結構不完整，進而影響換熱器的整體性能和穩定性。最后，刀具壽命、材料利用率和制造成本等也是微米級減材加工工藝應用的阻礙。 

在微通道熱管理部件制備領域，增材制造技術的作用日益凸顯。金屬增材制造技術主要包括粉末床熔化技術和直接能量沉積技術。粉末床熔化技術利用能量源對粉末床連續選擇性的逐層熔化或燒結，基于可控的分層構建原理，構建具有自由幾何形狀、復雜結構的零件[45]。SYED-KHAJA等[46]將微通道冷卻技術與粉末床熔化技術相結合制備出具有復雜內部結構的散熱器，證明了該方案作為高度集成電力電子器件熱管理方式的可行性；與傳統空氣冷卻散熱器相比，該方案在結構設計上具有更高的自由度，能夠實現三維復雜流道的精準制造，同時散熱器整體尺寸顯著減小；在相同電流條件下，該方案制備的散熱器的冷卻性能優于傳統散熱器，芯片溫度最高可降低33%，并且通過內部微通道可直接對熱點進行定向冷卻，有效提升了熱管理效率。 

直接能量沉積技術直接將喂料沉積到能量源產生的熔池中，在基板上以“從無到有”的形式制造零件或對已有零件進行再次加工。在加工過程中根據需要可以改變合金成分，即該技術具有在一個零件中沉積多種材料的能力。由于喂料沉積在已凝固的前一層，沒有外部材料支撐，故直接能量沉積技術無法制備復雜程度較高的構件[42-47]。在低成本、小批量、個性化的加工技術中增材制造技術具有代表性，利用該技術制備微通道結構可以簡化工藝流程，實現多尺度、多材料的集成制備，并且能夠具有較高的結構強度，滿足熱管理部件對質量、散熱性能、力學性能等方面的要求[48]。 

3.2   疊層增材制造技術

對于復雜微通道熱管理部件的加工制造，增材制造技術需要具有高的加工精度和表面質量、快的加工效率且能夠進行封閉孔洞加工；疊層增材制造技術可以滿足上述需求。疊層增材制造技術利用分層實體思想，將三維實體微分切片成薄板，對每個薄板進行精密加工，把加工后的薄板按三維實體結構順序堆疊并加工連接成為一個整體。其中，在每個薄板上實現指定圖案加工的光化學蝕刻技術和將薄板連接起來的擴散焊技術是影響疊層增材制造微通道結構部件加工質量的2個關鍵工序。 

3.2.1   光化學蝕刻

光化學蝕刻是通過化學方法對金屬進行可控制加工的技術，可以實現高精度、結構復雜微通道的制備，主要制備流程：根據所需通道形狀制作掩模板；清洗打磨基板表面并涂上光刻膠；將掩模板與涂有光刻膠的基板表面牢牢貼合以防后續加工過程中脫落；在紫外線曝光顯影后，利用化學蝕刻劑進行溶解腐蝕，以達到最終通道成型的目的[49]。其中，光刻膠是一種光敏化學品，當曝光在紫外線下時會發生降解或固化。在光刻膠的幫助下，通道圖形可以從掩模板復制到基板表面，為之后的化學蝕刻流程做準備[50]。 

通過化學蝕刻選擇性去除材料的方式得到的零件最終質量與材料化學活性、蝕刻劑濃度、蝕刻時間及蝕刻溫度等因素有關。材料中通常會存在大量位錯缺陷，位錯處具有相對較高的能量，穩定性較差，當受到蝕刻劑侵蝕時，位錯處首先溶解[51-52]。許多材料具有多種結構狀態，不同結構狀態下的化學穩定性存在差異[53]，需根據加工材料的結構狀態合理選擇蝕刻劑。SAY等[54]研究了不同蝕刻劑濃度（1，2，4，8 mol·L−1）和蝕刻時間（10，60，180 min）下HNO3、H2SO4、HCl、HClO4、NaOH、Na2CO3等6種不同蝕刻劑對316L不銹鋼的蝕刻效果，發現在HNO3、H2SO4和HCl蝕刻劑中316L不銹鋼表面未發生顯著反應，而HClO4、NaOH和Na2CO3蝕刻劑對316L不銹鋼的蝕刻效果明顯，在8 mol·L−1 Na2CO3溶液中浸泡10 min后獲得最大的表面粗糙度Ra，為9.57 μm。 

材料去除率、工件邊緣偏差、表面粗糙度是評估蝕刻微通道效果的重要參數，加工工件時希望在保證高材料去除率的同時，邊緣偏差、表面粗糙度保持在較小的范圍內。AGRAWAL等[55]在304不銹鋼表面制備蛇形和Y形通道過程中，以FeCl3作為蝕刻劑進行光化學加工，研究了材料去除率、表面粗糙度與各蝕刻參數間的關系，發現材料去除率隨蝕刻劑質量濃度增加、溫度升高或時間延長而提高，當質量濃度超過650 g·L−1時表面粗糙度因溶液黏度升高而下降。GANDHI等[56]采用FeCl3蝕刻劑對316L不銹鋼進行光化學蝕刻試驗，研究了蝕刻劑質量濃度（500，600，700 g·L−1）、試驗溫度（48，52，56 ℃）和蝕刻時間（8，12，16 min）對316L不銹鋼表面粗糙度的影響，發現當蝕刻劑質量濃度為500 g·L−1，溫度為52 ℃，蝕刻時間為12 min時，表面粗糙度最小。ZHUANG等[57]提出通過幾何優化方法提高散熱器整體性能，即分別在銅基板和鋁基板上蝕刻菱形通道，發現與傳統的并聯微通道散熱片相比，在外部尺寸、熱通量和最高溫度相同的條件下，具有菱形分形單元的微通道散熱片可以有效提高散熱效率。ZHANG等[58]采用HCl溶液對鋁板進行液滴蝕刻，蝕刻4 min后鋁板的平均表面粗糙度約為3.5 μm，表面結構均勻，疏水性提高。 

光化學蝕刻技術能夠實現復雜結構微通道的制備，通過控制蝕刻劑濃度、蝕刻時間，可以對微通道的表面粗糙度進行控制。光化學蝕刻技術適用范圍廣，在選擇適合蝕刻劑的前提下，可以對熱管理部件常用不銹鋼、銅合金等材料進行加工。利用光化學蝕刻技術得到的微通道表面粗糙度小、側壁光滑，并且該工藝加工效率高，成本相對低廉，可以用于規模化生產。 

3.2.2   擴散焊接

擴散焊接是將待焊工件在保護氣氛或真空中加熱至母材熔點以下溫度，同時施加壓力使工件接觸面發生微觀塑性變形，兩側原子擴散而形成牢固冶金結合的一種固態連接工藝[59-61]。在疊層增材制造過程中擴散焊接在分層蝕刻微通道和層板三維結構順序裝配堆疊后進行，通過加入填充材料作為助劑促進層板界面結合。填充材料在高溫下熔化后發生原子擴散，在等溫凝固過程中生成異質結構實現連接；同時填充材料的加入還可以防止異種材料焊接時脆性相的產生[62-63]。 

LI等[64]先利用光化學蝕刻技術在316L不銹鋼板（尺寸250 mm×67.7 mm×50 mm）上加工出直徑為263.6 μm的直通道，然后將加工好的不銹鋼板按順序堆疊，再通過擴散焊接方法進行連接，完成微通道換熱器的制造；經過檢測該換熱器在最大壓力15 MPa下的密封性良好，未發生泄露或結構失效；在不平衡和平衡流量2種條件下，冷側水的質量流量變化顯著影響了換熱器的效率和傳熱速率，各側出口溫度隨冷側水質量流量的增加而降低；此外，通道寬度的減小可顯著提高換熱器的功率質量比。CHU等[65]在304不銹鋼板上蝕刻出半徑為1.4 mm、截面為半圓形的微通道，將熱板和冷板按照順序堆疊后進行擴散焊接；為保證該微通道換熱器在極端條件下長時間運行的穩定性，在15 MPa壓力下對換熱器進行水壓測試，發現經過24 h測試后換熱器的壓力仍保持在15 MPa，表明換熱器在制造過程中未發生泄漏；通過金相檢驗發現兩板間元素相互擴散，焊接接頭成形質量好，換熱器的安全性得到了驗證。 

擴散焊接接頭的成形質量好，界面裂紋、不完全結合、孔隙等焊接缺陷少，接頭顯微組織未出現不連續性，不同區域的力學性能和顯微組織與基體差異小，該技術可以作為高精度和復雜形狀部件的連接制備工藝。 

4.   結束語

隨著我國軍用、航空領域的設備向小型化、多功能集成化方向的不斷發展，優化傳統熱管理方案、制備更加精細復雜的熱管理部件顯得尤為重要。微通道熱管理部件因具有緊湊的結構、高傳熱效率以及較高的比表面積，能夠很好地解決高度集成電路等的熱管理問題，特別適合于對換熱或散熱部件結構和尺寸有特殊要求的系統。然而，其復雜、細微、封閉的內通道結構難以采用傳統的機械加工和材料成型技術制備。與粉末床熔化等增材制造技術相比，疊層增材制造技術具有零件結構精度高、強度高以及可實現批量化生產等優勢，適合制備內腔結構復雜的零件，在復雜微通道熱管理部件制備上具有明顯的優勢。但是，該技術仍面臨部分難題，例如：對于熱管理部件常用的304不銹鋼和6061鋁合金，在光化學蝕刻過程中難以對蝕刻精度進行準確控制，需根據具體材料選擇合適的蝕刻劑，并控制蝕刻時間來進行改善；在擴散焊分層實體制造過程中，當板材厚度只有0.05～1.00 mm時，界面焊合及變形控制的最核心問題是如何保證小變形量下的可靠連接（軸向變形量小于1%），這就需要深入理解和揭示界面形成和結合機理，并在此技術上精確控制焊接溫度和壓力。因此，今后對于復雜微通道熱管理部件方面的研究主要集中在以下幾個方面：（1）開發復雜外形的微通道換熱器制備技術，以適應航空航天領域對復雜結構冷卻的發展需求；（2）開發綠色加工技術，包括提高加工效率、減少加工過程對環境的污染等；（3）優化微通道拓撲結構，以提升傳熱效率。

文章來源——材料與測試網