【技术】解析采用Rogers微通道冷却器的空冷VCSEL应用

时间： 2022-03-08 来源：Rogers

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“当空冷散热冷却器不能满足过高功率密度需要时，液冷式冷却器就成为首选传热解决方案。”那么罗杰斯的微通道冷却器（简称“MCC”）是如何在空冷应用中发挥作用的呢？罗杰斯MCC一直以来仅用于液冷应用；但是，客户在新VCSEL（垂直腔表面发光激光器）应用中面临的热管理挑战达到新水平，而且一些主动冷却方法正在接受检测。对于我们的合作伙伴来说，转向液冷所面临的挑战是虽然被动/标准空冷方案可能不能解决散热问题，但是液冷是有风险的，同时成本和维护都会增加。鉴于此，本文开始将压缩空气作为冷却剂，检测和评估了罗杰斯MCC。以标准宏通道散热底板为标准，对不同微通道设计进行了对比评估。

试验项目

1.在较低流量条件下，罗杰斯MCC的冷却性能优于现用宏通道冷板

2.Qua 50结构是罗杰斯标准MCC结构中性能最好的

模拟条件

我们根据下述条件（如图1所示），利用SolidWorks Flow Simulation 2020进行了仿真模拟。对于冷却结构的所有CFD热模拟，我们采用了图2所示的出入口配置。除非另有说明，否则对于所有模拟和比较，我们保持冷却器面积和芯片位置恒定不变。冷却器包含四个结构独立的铜层，每层厚度为200µm。第一层用作面层。下面两个铜层形成冷却通道。最后一个铜层构成底层，见图1（c）。

图 1（a）试验的边界条件；（b）冷却结构上的出入口和芯片配置；（c）冷却结构的顶视图和横截面图

进行模拟时，我们使用了三种不同的冷却结构。1型结构与罗杰斯的Qua50结构一致，而2型结构与图2（a）所示的Qua 100结构一致。应注意的是，Qua 50的几何尺寸比Qua 100小50%。为了进行对比，我们使用了一个Hex 50（3型）和两个标准层状冷却器，其中一个标准层状冷却器有五个通道，尺寸为0.5mm x 0.4mm（4型），另一个标准层状冷却器有三个通道，尺寸为1.00mm x 0.4mm（5型）。如图2（b）所示。

图 2（a）从左到右依次是：冷却结构内的流体流动示意图；Hex 100和 Qua 100内部冷却结构的详图；

（b）五种不同冷却结构的顶视图

结果和讨论

图3（a）显示了1型和4型结构的流速分布。我们可以清楚看出，4型结构的通道以层流为主，而1型冷却结构支持的是湍流。而且由于1型结构的有效冷却面积较大，所以可以在相同流量下产生较高的传热系数，如图3（b）所示。在相同流量下，1型冷却结构的传热系数最高。与4型和5型冷却结构相比，1型、2型和3型冷却结构较小，而且入口压力增加较快。

图 3（a）五种不同冷却结构的顶视图；（b）传热系数与流量图；（c）传热系数与流量图

与竞品相比，由于比表面积较大且能保持湍流，所以性能提高。对于某些应用领域，尽管空气本身的热力性能较差，但是由于空气的简单可用性，所以空冷可能优于水冷。同样地，由于液体的泄漏风险，所以液体通常不在电子器件中使用。若不超过90psi的压缩空气相对常见，且在生产地点可以获得，则与4型和5型冷却器相比，罗杰斯1型微通道结构可以使操作成本下降50%左右。

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