0. 引　言

随着科学技术和现代工业的快速发展，为提高空间利用率，大功率电子器件尺寸越来越小，内部结构越来越紧密，载荷功率密度越来越大，单个电子设备能流可以达到上千瓦，这些特征导致器件工作时产生的热量无法及时消散，产生的过高温度会影响器件的正常运行，甚至会导致热失效，因此微电子器件热管理系统的设计以及轻质高效冷却部件的应用十分关键[1-2]。热管理技术是通过协调系统中各换热或散热部件来对温度进行控制和调节的技术，这些换热或散热部件就是热管理部件。通过应用热管理部件可以为系统提供更好的温度条件，使得整个系统可以维持平衡，从而安全可靠地长寿命运行。

微电子器件迅速增加的热流以及对高效率冷却性能的需求促进了微通道热管理部件的发展。1981年，TUCKERMAN与PEASE针对集成电路散热问题提出了“微通道热沉”的概念，这也是第一次提出利用微通道解决散热问题的观点[3]。与常规散热器相比，微通道散热器的表面积/体积比大，单位面积换热效率高，质量轻，在高密度集成微电子器件热管理方面得到快速发展[4-5]。为了给相关人员提供参考，作者在热管理技术发展的背景下，介绍了微通道热管理部件的应用现状，总结了不同微通道流道结构对传热性能的影响，并在对比了微米级减材加工工艺和增材制造技术的基础上，重点阐述了以化学刻蚀和扩散焊接为主要工序的叠层增材制造技术在加工复杂微通道热管理部件方面的应用。

1. 应用背景

微通道热管理部件因具有整体尺寸小、结构紧凑、流体运动规律复杂等特点，其传热效率远高于传统热管理部件，因此广泛应用于航空航天、军事、电子芯片等高度专业化领域。

近年来军事电子和微波器件发展迅速，大功率电子芯片呈现出小型化、高集成度的发展趋势，这导致电子元件的功率增大，热流密度增加且分布不均匀，局部热点问题越来越严重，因此高效换热或散热部件的研究十分关键。氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管具有宽带隙和高电子饱和速率的优点，在电力系统领域备受关注。但是，在工作过程中GaN晶体管中会产生高热通量，当温度过高时会出现局部热点，影响晶体管的综合性能[6]。针对这一情况，Al-NEAMA等[7-9]采用蛇形水冷微通道散热器对GaN晶体管进行冷却，研究发现蛇形微通道结构在破坏热边界层、改善传热方面起着至关重要的作用；通过试验与数值模拟结合的方法对比了不同路径蛇形微通道的流体流动特性与传热特性，发现通道的弯曲会阻止流体流动和热边界层的发展，单路径蛇形微通道的综合传热性能最优，多路径蛇形微通道的传热效率很高，但这是以流体的大压降作为代价的；在蛇形微通道模型的基础上，引入翅片创建了蛇形微通道内的次通道，主、次通道结构在降低散热器热阻和增强对流换热上起到显著作用，压降和总热阻分别降低60%和10%。XIA等[10]针对高速运转驱动电机的电动主轴在工作过程中产生较大的热量而导致热变形的情况，对分形树状通道和传统螺旋通道冷却套管的传热和压降特性进行了数值分析，发现与传统螺旋通道相比，分形树状通道具有更低的压降以及更均匀的温度场。

超高温反应堆是一种燃料利用率高的热中子谱反应堆，反应堆核心具有高热通量，中间换热器将热量从超高温反应堆系统中的第一个回路传递到第二个回路，从而提高了热量利用率。超高温反应堆系统的效率和成本受中间交换器的影响，传统管壳式换热器无法满足小空间大面积传热的要求，而微通道换热器的体积小、传热效率高，可以满足超高温反应堆的工作环境[11]。MA等[12]研究了超高温反应堆工况下锯齿形微通道换热器（内部冷板和热板交替排列）的局部传热和压降机理，发现锯齿形通道可以起到扰乱流体流动和增强传热的作用，传热和压降随着锯齿形通道相对于水平方向的倾斜角度的增加而增大，在实际应用中需考虑质量流量与倾斜角的匹配问题。CHEN等[13]和FIGLEY等[14]针对超高温反应堆的典型工作条件，设计制造了一款锯齿形微通道换热器，研究发现在温度802 ℃和压力2.7 MPa下锯齿形微通道具有更好的整体传热性能，层流状态下和过渡流状态下的传热系数分别为直圆管微通道的2～3倍和1.5～3.0倍。

高效能源转换、调解能源生产是解决能源短缺的重要方式，太阳能是发展所必需的可再生清洁能源之一，关于提高太阳能热电站效率的研究已经十分广泛。高聚光光伏（high concentrator photovoltaic，HCPV）是一种极具潜力的清洁发电方式，所采用的太阳能电池可以提供高能量通量。在实际应用过程中，只有小部分太阳辐射会被高聚光光伏电池吸收，大多数太阳辐射转化为热能，导致电池表面温度过高，这可能造成表面缺陷，对电池的性能产生负面影响，因此需要高效率的冷却系统来降低电池温度、提高温度分布均匀性[15-16]。TANG等[17]设计了一种具有新型歧管超薄微型针翅散热器的紧凑型高聚光光伏系统，在1 000倍太阳光能量密度下该系统表现出优异的冷却性能和温度均匀性，电池平均温度可降至51 ℃，温度不均匀性仅为3.4 ℃，相比常规混合射流微通道和变宽度微通道设计，其温度不均匀性明显降低；随着入口冷却液流量的增加（1.5～12 kg·h−1），电池的平均温度及其不均匀性进一步降低，净电效率显著提高，但当入口冷却液流量超过23.5 kg·h−1时，压降急剧增加，导致净电效率下降。HONG等[18]为实现太阳能电池在散热的同时进行热回收，提出了一种结合冲击射流和微通道流动沸腾的径向膨胀微通道散热器，冷却介质通过中央入口流入散热器中沸腾，并沿径向阵列通道流动；通过实时太阳跟踪测试得到，该微通道散热器在各取向角（微通道散热器相对于水平方向的倾斜角度，0°，30°，45°，60°，90°）下工作良好，保持了优异的流动沸腾性能，电池表面最高温度保持在110 ℃以下，可以应用于现实生活中的高聚光光伏光热混合系统。

2. 微通道结构

微通道的尺寸、几何结构对热管理部件最终的传热效率有显著影响。随着通道宽度的减小，传热路径缩短，对流传热系数增大，热阻呈降低趋势，这是微通道热管理部件可以实现高效传热的原因之一[19]。根据流体流动路径，微通道可以分为连续型和非连续型微通道。连续型微通道包括直通道、波浪形通道、蛇形通道、锯齿形通道等，流体在各通道内单独流动。非连续型微通道由翼型翅片、肋片或鳍片规律排列组成，不同通道内的流体可以汇合，该结构微通道可在保证传热的同时，实现相对较低的压降[20]。除了上述常规微通道结构外，研究人员在自然界中树干、叶脉、哺乳动物呼吸系统等结构的启发下，设计了许多新型仿生拓扑微通道结构，这类结构具有一系列连续的分支通道，传热效率更高，压降更小，温度分布更加均匀[21-23]。

直通道是最基本的微通道类型，适合应用在要求低压降的工作环境中，对直通道结构进行调整后可以改善其传热性能[13,24]。CHENG等[25]以蒸馏水为工作流体，对比了不同锥度比的锥形通道和直通道的传热系数和压降，发现高锥度比会导致流体更早过渡到湍流，在较低的雷诺数下具有更大的传热系数和更高的压降。MESHRAM等[26]通过数值模拟方法对比发现：锯齿形通道在相同热容量下的体积比直通道显著减小，但压降更高，主要是因为流动扰动增强带来了传热强化效应；锯齿形通道的传热系数随锯齿弯曲角的增加而增大，随线性间距的增加而降低，因此较大弯曲角和较小线性间距下锯齿形通道的传热性能更好，但二者均会导致压降显著升高。虽然锯齿形通道能大幅缩减换热器体积，但其高压降可能削弱其循环效率，因此需权衡传热强化与压降损失以实现性能平衡。

非连续型微通道中的翼型翅片、肋片等结构对增强微通道热管理部件的传热效率有着显著作用，这些结构打断了冷却介质的运动和热边界层，流畅的线型抑制了流体的流动分离，促进了流体均匀流动[27]。CHUNG等[28]将氮气作为工作流体，对比了翼型翅片通道和直通道的综合性能，发现在给定的入口条件下，翼型翅片通道具有更高的单位体积传热速率和单位长度压降。SAEED等[29]对交错排列的正弦鳍片通道进行了数值模拟研究，发现正弦鳍片平稳地改变了工作流体CO2在通道内的流向，避免了出现再循环和分离区，与传统锯齿形通道相比，鳍片优化的通道综合性能显著提高。

仿生拓扑微通道结构具有周期性的边界层间断和强烈的流动混合特性，可以改善传热和压降性能。ZHOU等[23]受叶脉结构启发提出了一种新型均热板，系统分析了冷却水温度和质量流量对传热性能的影响，发现：叶脉结构能有效促使冷凝水以低水力阻力回流到蒸发区，降低冷却水温度，同时提高冷却水质量流量可以降低总热阻；该均热板可以承受20～500 W的宽范围热负荷，其传热性能未出现明显下降，最小热阻为0.029 ℃·W−1。YAN等[30]在Y分形通道换热器的基础上，通过数值模拟研究了水凝胶嵌入位置对分形通道热沉自适应冷却的影响，发现：水凝胶的嵌入起到调控流体流速的作用，可帮助分形通道换热器处理更大范围密度的热流；在一级分支中嵌入的水凝胶不易变形，适合处理高热通量的情况，在二级分支嵌入的水凝胶对芯片局部热点的探测更灵敏，也更容易发生变形，适用于低热通量的情况。综上，在整体体积保持不变或整体尺寸更小的情况下，微通道热管理部件的内腔结构越精准复杂，其传热性能的改善效果越显著[5]。

3. 加工技术

3.1 典型微米级部件加工技术

随着制造业对部件加工精度要求的提高，微米级高效高精度加工技术的研究与应用引起了产业界和学界的高度关注。表1列举了典型微米级部件加工技术的原理及其优势和局限性。微米级减材加工工艺（微机械加工、微电火花加工、微冲压、微液压成形、激光加工、聚焦等离子蚀刻）改善了传统加工技术如车削、铣削等直接加工小尺寸工件时出现的微观尺度问题，如表面质量和尺寸精度难以控制、热量集中、应力和变形较大等。虽然表中列举的微米级减材加工工艺在微米级部件制造领域展示出优势，但若用于加工微通道热管理部件仍存在一定的局限性。首先，这些工艺会受到材料厚度和几何结构复杂程度的限制，难以加工出深宽比大和结构复杂的沟槽。其次，为满足高强度和耐高温要求，微通道热管理部件一般选用合金材料，如不锈钢、高温合金等，微米级减材加工工艺对这些材料的加工难度较大，难以实现微通道热管理部件的高精密度和可重复性，导致流道间距不均匀或结构不完整，进而影响换热器的整体性能和稳定性。最后，刀具寿命、材料利用率和制造成本等也是微米级减材加工工艺应用的阻碍。

在微通道热管理部件制备领域，增材制造技术的作用日益凸显。金属增材制造技术主要包括粉末床熔化技术和直接能量沉积技术。粉末床熔化技术利用能量源对粉末床连续选择性的逐层熔化或烧结，基于可控的分层构建原理，构建具有自由几何形状、复杂结构的零件[45]。SYED-KHAJA等[46]将微通道冷却技术与粉末床熔化技术相结合制备出具有复杂内部结构的散热器，证明了该方案作为高度集成电力电子器件热管理方式的可行性；与传统空气冷却散热器相比，该方案在结构设计上具有更高的自由度，能够实现三维复杂流道的精准制造，同时散热器整体尺寸显著减小；在相同电流条件下，该方案制备的散热器的冷却性能优于传统散热器，芯片温度最高可降低33%，并且通过内部微通道可直接对热点进行定向冷却，有效提升了热管理效率。

直接能量沉积技术直接将喂料沉积到能量源产生的熔池中，在基板上以“从无到有”的形式制造零件或对已有零件进行再次加工。在加工过程中根据需要可以改变合金成分，即该技术具有在一个零件中沉积多种材料的能力。由于喂料沉积在已凝固的前一层，没有外部材料支撑，故直接能量沉积技术无法制备复杂程度较高的构件[42-47]。在低成本、小批量、个性化的加工技术中增材制造技术具有代表性，利用该技术制备微通道结构可以简化工艺流程，实现多尺度、多材料的集成制备，并且能够具有较高的结构强度，满足热管理部件对质量、散热性能、力学性能等方面的要求[48]。

3.2 叠层增材制造技术

对于复杂微通道热管理部件的加工制造，增材制造技术需要具有高的加工精度和表面质量、快的加工效率且能够进行封闭孔洞加工；叠层增材制造技术可以满足上述需求。叠层增材制造技术利用分层实体思想，将三维实体微分切片成薄板，对每个薄板进行精密加工，把加工后的薄板按三维实体结构顺序堆叠并加工连接成为一个整体。其中，在每个薄板上实现指定图案加工的光化学蚀刻技术和将薄板连接起来的扩散焊技术是影响叠层增材制造微通道结构部件加工质量的2个关键工序。

3.2.1 光化学蚀刻

光化学蚀刻是通过化学方法对金属进行可控制加工的技术，可以实现高精度、结构复杂微通道的制备，主要制备流程：根据所需通道形状制作掩模板；清洗打磨基板表面并涂上光刻胶；将掩模板与涂有光刻胶的基板表面牢牢贴合以防后续加工过程中脱落；在紫外线曝光显影后，利用化学蚀刻剂进行溶解腐蚀，以达到最终通道成型的目的[49]。其中，光刻胶是一种光敏化学品，当曝光在紫外线下时会发生降解或固化。在光刻胶的帮助下，通道图形可以从掩模板复制到基板表面，为之后的化学蚀刻流程做准备[50]。

通过化学蚀刻选择性去除材料的方式得到的零件最终质量与材料化学活性、蚀刻剂浓度、蚀刻时间及蚀刻温度等因素有关。材料中通常会存在大量位错缺陷，位错处具有相对较高的能量，稳定性较差，当受到蚀刻剂侵蚀时，位错处首先溶解[51-52]。许多材料具有多种结构状态，不同结构状态下的化学稳定性存在差异[53]，需根据加工材料的结构状态合理选择蚀刻剂。SAY等[54]研究了不同蚀刻剂浓度（1，2，4，8 mol·L−1）和蚀刻时间（10，60，180 min）下HNO3、H2SO4、HCl、HClO4、NaOH、Na2CO3等6种不同蚀刻剂对316L不锈钢的蚀刻效果，发现在HNO3、H2SO4和HCl蚀刻剂中316L不锈钢表面未发生显著反应，而HClO4、NaOH和Na2CO3蚀刻剂对316L不锈钢的蚀刻效果明显，在8 mol·L−1Na2CO3溶液中浸泡10 min后获得最大的表面粗糙度Ra，为9.57 μm。

材料去除率、工件边缘偏差、表面粗糙度是评估蚀刻微通道效果的重要参数，加工工件时希望在保证高材料去除率的同时，边缘偏差、表面粗糙度保持在较小的范围内。AGRAWAL等[55]在304不锈钢表面制备蛇形和Y形通道过程中，以FeCl3作为蚀刻剂进行光化学加工，研究了材料去除率、表面粗糙度与各蚀刻参数间的关系，发现材料去除率随蚀刻剂质量浓度增加、温度升高或时间延长而提高，当质量浓度超过650 g·L−1时表面粗糙度因溶液黏度升高而下降。GANDHI等[56]采用FeCl3蚀刻剂对316L不锈钢进行光化学蚀刻试验，研究了蚀刻剂质量浓度（500，600，700 g·L−1）、试验温度（48，52，56 ℃）和蚀刻时间（8，12，16 min）对316L不锈钢表面粗糙度的影响，发现当蚀刻剂质量浓度为500 g·L−1，温度为52 ℃，蚀刻时间为12 min时，表面粗糙度最小。ZHUANG等[57]提出通过几何优化方法提高散热器整体性能，即分别在铜基板和铝基板上蚀刻菱形通道，发现与传统的并联微通道散热片相比，在外部尺寸、热通量和最高温度相同的条件下，具有菱形分形单元的微通道散热片可以有效提高散热效率。ZHANG等[58]采用HCl溶液对铝板进行液滴蚀刻，蚀刻4 min后铝板的平均表面粗糙度约为3.5 μm，表面结构均匀，疏水性提高。

光化学蚀刻技术能够实现复杂结构微通道的制备，通过控制蚀刻剂浓度、蚀刻时间，可以对微通道的表面粗糙度进行控制。光化学蚀刻技术适用范围广，在选择适合蚀刻剂的前提下，可以对热管理部件常用不锈钢、铜合金等材料进行加工。利用光化学蚀刻技术得到的微通道表面粗糙度小、侧壁光滑，并且该工艺加工效率高，成本相对低廉，可以用于规模化生产。

3.2.2 扩散焊接

扩散焊接是将待焊工件在保护气氛或真空中加热至母材熔点以下温度，同时施加压力使工件接触面发生微观塑性变形，两侧原子扩散而形成牢固冶金结合的一种固态连接工艺[59-61]。在叠层增材制造过程中扩散焊接在分层蚀刻微通道和层板三维结构顺序装配堆叠后进行，通过加入填充材料作为助剂促进层板界面结合。填充材料在高温下熔化后发生原子扩散，在等温凝固过程中生成异质结构实现连接；同时填充材料的加入还可以防止异种材料焊接时脆性相的产生[62-63]。

LI等[64]先利用光化学蚀刻技术在316L不锈钢板（尺寸250 mm×67.7 mm×50 mm）上加工出直径为263.6 μm的直通道，然后将加工好的不锈钢板按顺序堆叠，再通过扩散焊接方法进行连接，完成微通道换热器的制造；经过检测该换热器在最大压力15 MPa下的密封性良好，未发生泄露或结构失效；在不平衡和平衡流量2种条件下，冷侧水的质量流量变化显著影响了换热器的效率和传热速率，各侧出口温度随冷侧水质量流量的增加而降低；此外，通道宽度的减小可显著提高换热器的功率质量比。CHU等[65]在304不锈钢板上蚀刻出半径为1.4 mm、截面为半圆形的微通道，将热板和冷板按照顺序堆叠后进行扩散焊接；为保证该微通道换热器在极端条件下长时间运行的稳定性，在15 MPa压力下对换热器进行水压测试，发现经过24 h测试后换热器的压力仍保持在15 MPa，表明换热器在制造过程中未发生泄漏；通过金相检验发现两板间元素相互扩散，焊接接头成形质量好，换热器的安全性得到了验证。

扩散焊接接头的成形质量好，界面裂纹、不完全结合、孔隙等焊接缺陷少，接头显微组织未出现不连续性，不同区域的力学性能和显微组织与基体差异小，该技术可以作为高精度和复杂形状部件的连接制备工艺。

4. 结束语

随着我国军用、航空领域的设备向小型化、多功能集成化方向的不断发展，优化传统热管理方案、制备更加精细复杂的热管理部件显得尤为重要。微通道热管理部件因具有紧凑的结构、高传热效率以及较高的比表面积，能够很好地解决高度集成电路等的热管理问题，特别适合于对换热或散热部件结构和尺寸有特殊要求的系统。然而，其复杂、细微、封闭的内通道结构难以采用传统的机械加工和材料成型技术制备。与粉末床熔化等增材制造技术相比，叠层增材制造技术具有零件结构精度高、强度高以及可实现批量化生产等优势，适合制备内腔结构复杂的零件，在复杂微通道热管理部件制备上具有明显的优势。但是，该技术仍面临部分难题，例如：对于热管理部件常用的304不锈钢和6061铝合金，在光化学蚀刻过程中难以对蚀刻精度进行准确控制，需根据具体材料选择合适的蚀刻剂，并控制蚀刻时间来进行改善；在扩散焊分层实体制造过程中，当板材厚度只有0.05～1.00 mm时，界面焊合及变形控制的最核心问题是如何保证小变形量下的可靠连接（轴向变形量小于1%），这就需要深入理解和揭示界面形成和结合机理，并在此技术上精确控制焊接温度和压力。因此，今后对于复杂微通道热管理部件方面的研究主要集中在以下几个方面：（1）开发复杂外形的微通道换热器制备技术，以适应航空航天领域对复杂结构冷却的发展需求；（2）开发绿色加工技术，包括提高加工效率、减少加工过程对环境的污染等；（3）优化微通道拓扑结构，以提升传热效率。

文章来源——材料与测试网