CN104167399B - 错位复杂微通道微型换热器 - Google Patents
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Abstract
错位复杂微通道微型换热器，属于微电子换热器技术领域，包括封装在一起的封装片(1)，基板(2)；封装片上开有与外部管路连接的流体入口(3)和流体出口(4)；基板的正面刻蚀有错位复杂微通道(5)、进口处的蓄液槽(6)和出口处的蓄液槽(7)。本装置满足大功率电子芯片的散热；同时弥补高效金属微散热器热膨胀系数不匹配的应用限制和被冷却表面(即电子芯片)温度分布不均匀的缺点。
Description
技术领域
本发明属于微电子换热器技术领域，涉及一种冷却装置，尤其是错位复杂微通道微型换热器。
背景技术
微电子技术的发展，极大的推动了计算机技术、航空航天技术及电子器件的快速发展。电子产品的核心器件芯片朝着高集成、高频、高速及小型化发展，这导致芯片的功率密度依照摩尔定理急剧增大。对于热负荷敏感性极高的微电子芯片而言：传统的冷却器已不能有效地带走芯片的发热量，热量在芯片处的累计将导致芯片的温度上升、芯片的温度分布不均匀，严重的影响芯片的工作状态和稳定性，甚至由于热应力而损坏芯片。因此，高效稳定的电子芯片散热技术至关重要。
目前国内外研究的微冷却器有：微热管、微通道热沉、微热电制冷器、微冷冻机及集成式微冷却器等。其中，由于微通道热沉其加工制作技术比较成熟，得到了人们较多的关注并且已被证明是最具有潜力的散热方式之一。铜基微通道散热器虽然具有良好的导热性，但是由于微尺寸加工受限及铜与芯片(一般是硅)的热膨胀系数不匹配导致铜基微通道散热器在芯片散热的应用受限。因此，具有与芯片的良好的热匹配及具有良好导热性的低电导率硅基微通道散热器成为了最佳的散热器。但是微通道换热器存在两个设计上的局限。其一，是由于小尺寸所产生的较大流动阻力；其二，由于冷却介质在入口、出口间温度变化较大，因而导致换热表面温度分布不均。
本发明通过进出口和通道结构的优化设计和布局，满足了可控压降的条件下具有良好的换热效果且满足温度分布的均匀性。其应用于大功率芯片散热的装置，具有良好的热匹配性、散热快、温度均匀等优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微型换热器，用于解决高热流密度电子芯片的有效散热、芯片温度分布均匀性及换热器与芯片的热匹配的问题，为芯片的运行提供可靠的温度环境。
本发明设计了一种流体强制对流错位复杂微通道微型换热器，其特征在于，如图1所示，包括依次叠层封装在一起封装片(1)，基板(2)；封装片(1)表面的两边开有与外部管路连接的通孔，分别作为流体入口(3)和流体出口(4)；基板(2)正面的四周为平整的一圈凸起，中间部分为凹槽，基板正面凹槽的中间区域为错位复杂微通道区域(5)，错位复杂微通道区域(5)相对的两边分别与基板正面的凸起连接，错位复杂微通道区域(5)另一相对的两侧边分别为入入口处蓄液槽(6)和出口处蓄液槽(7)，错位复杂微通道区域(5)的错位复杂微通道直接将入口处蓄液槽(6)和出口处蓄液槽(7)连通，即错位复杂微通道区域(5)将基板正面凹槽部分分成并列的入口处蓄液槽(6)、错位复杂微通道区域(5)和出口处蓄液槽(7)。封装片(1)密封盖在基板(2)的正面上，封装片(1)的流体入口(3)位于基板(2)入口处蓄液槽(6)的正上方，封装片(1)的流体出口(4)位于基板(2)出口处蓄液槽(7)的正上方。优选错位复杂微通道区域(5)的顶面与基板正面四周的凸起齐平。通道的高度大于200微米，通道高度大于基板底层的厚度。
本发明提出的错位复杂微通道(5)区域的加工可根据被冷却的器件的尺寸确定。为了更加明确基板(2)的结构，图1(c)、图1(d)、图1(e)分别给出了基板(2)的主视图、A-A剖面图、B-B剖面图。
如图2所示，将换热器的两片组合封装后形成封闭的错位复杂微通道微型换热器(8)。在封闭的换热器内可使流体流动进行循环，流体流经路线为：流体入口(3)、入口蓄液槽(6)、错位复杂微通道区域(5)的错位复杂微通道、出口蓄液槽(7)、流体出口(4)。冷却流体经入口蓄液槽(6)后，将均匀分散到错位复杂结构微通道内，将从错位复杂微通道的底面和微通道表面吸收热量，最后从流体出口(4)流出。
本发明采用如下技术方案：
基于增大换热面积和流体扰动的对流换热理论，在换热器主要部位采用错位复杂结构微通道，错位复杂结构微通道是由含有扇形凹槽的长条微结构或由含有三角凹槽的长条微结构组成的通道。
所述含有扇形凹槽的长条微结构指的是以多个平行的平直长条微结构为基础，任一个平直长条与相邻的平直长条平行相对的两侧面均刻有扇形凹槽，扇形凹槽是凹向平直长条中心轴的，扇形凹槽的高度与平直长条的高度齐平，扇形凹槽任意高度所在的扇面均与平直长条的中心轴平行，扇形凹槽在平直长条的侧面错位均匀分散布置，即在同一侧面是扇形凹槽和未刻蚀的直平面交替分布，同一平直长条两侧面的扇形凹槽是交错分布的，即一侧面的扇形凹槽对应另一侧面的未刻蚀的直平面，从总体看形成波浪形状；任意相邻两个含有扇形凹槽的长条微结构之间形成微通道的相对的两侧面是扇形凹槽相对扇形凹槽、未刻蚀的直平面相对未刻蚀的直平面。
而所述的含有三角凹槽的长条微结构与含有扇形凹槽的长条微结构相同，只是将扇形凹槽替换为三角形凹槽，优选凹向平直长条中心轴的角为等腰直角。
流体的进出口与流体在通道里的流动方向垂直。
错位复杂微通道的结构尺寸，疏密程度，散热面上通道组数多少可根据实际芯片的功率及芯片的尺寸等实际情况优化设计。错位复杂微通道一方面有效的扩展了换热面积并加强流体的扰动，提高了换热效率；另一方面采用优化和合理的错位复杂微通道的结构尺寸，在压降一定条件下可极大地提高被冷却表面温度分布的均匀性。因此，强制对流错位复杂微通道微型换热器是高热流密度芯片散热的有效方法之一。
考虑到微散热器与芯片的封装集成，微散热器的进出口设计在封装片(1)上与流体在通道里的流动方向垂直。相对于流体平行方向的进出口，流体垂直方向进出口的微散热器与芯片集成板的芯片连接简单方便，可根据不同芯片的散热量控制每个微散热器的流量，使得芯片集成板上的各个芯片温度分布均匀。
换热工质可分别选用空气、水、制冷剂等。根据所用工质以及器件最佳工作温度范围，在传热表面上将形成流体通过错位复杂微通道的流动，即此处所述的对流是指换热工质相对于被冷却物质是流动的，换热以单相对流换热或相变对流换热来实现冷却技术要求。
微型散热器的基板(2)的底面即与芯片连接的平面(也是基板(2)的材质)采用硅、钨铜等与芯片热膨胀系数匹配的材料，则相应的盖板(1)可选用硅、玻璃，铜或钨铜等与基板2可键合封装的材料；考虑到散热机加工工艺基板(2)上的复杂微通道结构层，基板(2)可选择铜或硅材料。总体几何形状尺寸可根据被冷却器件尺寸及总体封装要求确定。本微型散热器适用于条形、方形等发热表面的冷却。
上述的基板(2)的加工可按照离子深刻蚀技术，在基板(2)的正面将错位复杂结构微通道和蓄液槽同时刻蚀等制备出。
本发明具有下列优点与效果：
1、垂直的流体入口、出口与基板(2)错位复杂结构微通道内液体流向垂直，方便安装和集成，入口、出口均在蓄液槽所对应位置的中心能够均均匀地分配流体到每一个微通道；
2、错位复杂微通道有效的增大换热面积并强化了流体的扰动，有效的换热并极大地提高被冷却表面温度分布的均匀性；
3、相比于矩形通道微换热器，在相同压降下，换热效果明显增大；
4、相比于微针肋微型换热器，相同换热量下，压降明显降低；
5、相比于非错位复杂微通道微型换热器，在相同压降下，提高了被冷却面的温度分布的均匀性。
附图说明
图1：具有错位复杂微通道微换热器的结构示意图；
图中：1、封装片，2、基板，3、流体入口，4、流体出口，5、错位复杂微通道，6、入口蓄液槽，7、出口蓄液槽；
图1(a)封装片图；
图1(b)基板图；
图1(c)：本发明具有错位三角凹槽微通道的基板主视图；
图1(d)：本发明具有错位三角凹槽微通道的基板图(C)A-A剖面图；
图1(e)：本发明具有错位三角凹槽微通道的基板图(C)B-B剖面图；
图2：封装片和基板复合的示意图；
图中：8、微型换热器；
图3：具有错位扇形凹槽微通道结构的本发明冷却大功率芯片的示意图；
图中：9、大功率芯片或加热膜；
图4：本发明的具有错位扇形凹槽微通道的结构示意图；
图中：5、错位扇形凹槽微通道；
图5：具有错位三角凹槽微通道结构的换热器冷却大功率芯片或加热膜的示意图；
图中：9、大功率芯片或加热膜；
图6：本发明的具有错位三角凹槽微通道的结构示意图；
图中：5、错位三角凹槽微通道。
具体实施方法1
下面结合附图及实施例解释说明本发明微换热器及在电子芯片散热中的应用对本发明作进一步的描述，但本发明并不限于以下实施例：
实施例1
随着信息技术和电子技术的飞速发展，电子芯片的功率急剧增大，有效的散热成为芯片发展的至关重要的问题。错位扇形凹槽微通道微换热器由复杂通道的基底2和封装片1组成，见图1和图2。基底采用硅，封装片采用玻璃，工质为去离子水。由于大功率芯片的成本非常昂贵，本实施方案中采用薄膜热源代替芯片进行新能测试。薄膜热源采用铂金属加热膜，经过微电子学电路设计优化，铂加热膜能够均匀的产热模拟电子芯片的散热，铂加热膜的输入电压根据芯片的产热量确定。
如图3所示，用错位扇形凹槽微通道微换热器冷却加热膜或大功率芯片9，通过镀膜技术在硅基背面形成绝缘层及金属镀膜过渡层最终形成厚100纳米的均匀蛇形铂薄膜，通电后产热模拟芯片的散热。通过深刻蚀技术在厚为500微米的硅基上刻蚀深300微米的微通道，与带有直径为2mm流体进出口的厚为500微米的玻璃片键合形成封闭的微型散热器。单个通道的放大图如图4所示，错位扇形凹槽微通道结构的侧壁由120度半径为0.1mm的圆弧和直线形成长度为0.25mm的单元依次构成，错位扇形凹槽微结构的两个侧壁依次错位结构。错位扇形凹槽微通道在两个扇形凹槽中间的处形成最大间距为200微米(即两个扇形凹槽顶面相对的位置的间距)，在两个直线中间处形成最小间距为100微米(即两个未刻蚀的直平面相对的位置的间距)。硅基上含有错位扇形凹槽微通道结构区域和加热膜或大功率芯片区域一致，即在有热源的地方就有错位扇形凹槽微通道。工质去离子水依次流经流体入口3、入口蓄液槽6、错位扇形凹槽微通道、出口蓄液槽7、流体出口4。去离子水流经入口蓄液槽6后，将均匀分散到错位扇形凹槽微通道，将从错位扇形凹槽微通道的底面和微通道壁面吸收热量，最后从流体出口4流出。
在热流密度为280w/cm2、流体的入口处的质量流量相同时，与常规微通道相比，其散热面的最大温差以减小6°、散热面平均温度可以减小5°。
在热流密度为280w/cm2、流体的进出口的压降相同(即所消耗的能量相同)时，与常规微通道相比，其散热面的最大温差以减小4°、散热面平均温度可以减小3°。
芯片温度上升1°，芯片的寿命就会减小5％，因此本发明微型散热器具有了良好的散热性，对芯片散热具有重大意义。所以本发明实现高热流密度电子器件的散热，保证电子器件运行的温度及温度的均匀性增强散热器件的寿命。
实施例2
下面结合附图及错位三角凹槽微通道微换热器在电子芯片散热中的应用对本发明作进一步的描述：
随着信息技术和电子技术的飞速发展，电子芯片的功率急剧增大，有效的散热成为芯片发展的至关重要的问题。错位三角凹槽微通道微换热器由含有与复杂通道的基底2和封装片1组成见图1和图2。基底采用硅，封装片采用玻璃，工质为去离子水。由于大功率芯片的成本非常昂贵，本实施方案中采用薄膜热源代替芯片进行新能测试。薄膜热源采用铂金属加热膜，经过微电子学电路设计优化，铂加热膜能够均匀的产热模拟电子芯片的散热，铂加热膜的输入电压根据芯片的产热量确定。
如图5所示，用错位三角凹槽微通道微换热器冷却加热膜9，通过镀膜技术在硅基背面形成绝缘层及金属镀膜过渡层最终形成厚100纳米的均匀蛇形铂薄膜，通电后产热模拟芯片的散热。通过深刻蚀技术在厚为500微米的硅基上刻蚀深300微米深的微通道，与带有直径为2mm流体进出口厚为500微米的玻璃片键合形成封闭的微型散热器。单个肋结构的放大图如图5所示。如图6所示，错位三角凹槽微通道肋结构即侧壁由直角边为0.1mm的等腰直角三角形两个直角边与直线形成长度为0.2mm的单元依次构成，肋结构的两个侧壁依次错位结构。错位三角凹槽微通道肋的最小宽度为50微米。错位三角凹槽微通道在两个三角凹槽中间的处形成最大间距为200微米，在两个直线中间处形成最小间距为100微米。硅基上含有错位三角凹槽微通道结构区域和加热膜区域一致，即在有热源的地方就有错位扇形凹槽微通道。工质去离子水依次流经流体入口3、入口蓄液槽6、错位三角凹槽微通道、出口蓄液槽7、流体出口4。去离子水流经入口蓄液槽6后，将均匀分散到错位三角胶凹槽微通道，将从错位三角凹槽微通道的底面和微通道壁面吸收热量，最后从流体出口4流出。
在热流密度为250w/cm2、流体的入口处的质量流量相同时，与常规微通道相比，其散热面的最大温差以减小8度、散热面平均温度可以减小6度。
在热流密度为250w/cm2、流体的进出口的压降相同(即所消耗的能量相同)时，与常规微通道相比，其散热面的最大温差以减小6°、散热面平均温度可以减小5°。
芯片温度上升1°，芯片的寿命就会减小5％，因此本发明微型散热器具有了良好的散热性，对芯片散热具有重大意义。所以本发明实现高热流密度电子器件的散热，保证电子器件运行的温度及温度的均匀性增强散热器件的寿命。
Claims (2)
1.一种流体强制对流错位复杂微通道微型换热器，其特征在于，包括依次叠层封装在一起封装片(1)，基板(2)；封装片(1)表面的两边开有与外部管路连接的通孔，分别作为流体入口(3)和流体出口(4)；基板(2)正面的四周为平整的一圈凸起，在垂直方向上与流体入口(3)和流体出口(4)相应位置的基板正面为矩形凹槽即进口蓄液槽(6)和出口蓄液槽(7)，基板正面的中间区域即进口蓄液槽(6)和出口蓄液槽(7)之间的区域为错位复杂微通道区域(5)，错位复杂微通道区域(5)的顶面与封装片形成封闭的多根并联错位复杂微通道，错位复杂微通道区域(5)将进口蓄液槽(6)和出口蓄液槽(7)区域连通，错位复杂微通道区域(5)垂直于通道方向的相对的两边分别与基板正面的凸起连接；封装片(1)密封盖在基板(2)的正面上，封装片(1)的流体入口(3)位于基板(2)进口蓄液槽(6)的正上方，封装片(1)的流体出口(4)位于基板(2)出口蓄液槽(7)的正上方；错位复杂结构微通道是由相邻两个错位的扇形凹槽的长条微结构相对的两个壁面或由相邻两个错位三角凹槽的长条微结构相对的两个壁面与封装片的下表面形成的多根封闭平行通道并联组成；
所述含有扇形凹槽的长条微结构指的是以多个平行的平直长条微结构为基础，任一个平直长条与相邻的平直长条平行相对的两侧面均刻有扇形凹槽，扇形凹槽是凹向平直长条中心轴的，扇形凹槽的高度与平直长条的高度齐平，扇形凹槽任意高度所在的扇面均与平直长条的中心轴平行，扇形凹槽在平直长条的两个侧面错位均匀分散布置，即在同一侧面是扇形凹槽和未刻蚀的直平面交替分布，同一平直长条两侧面的扇形凹槽是交错分布的，即一侧面的扇形凹槽对应另一侧面的未刻蚀的直平面，从总体看形成波浪形状；任意相邻两个含有扇形凹槽的长条微结构之间形成微通道的相对的两侧面是扇形凹槽相对扇形凹槽、未刻蚀的直平面相对未刻蚀的直平面；
所述的含有三角凹槽的长条微结构与含有扇形凹槽的长条微结构相同，只是将扇形凹槽替换为三角形凹槽；
错位复杂微通道区域(5)的顶面与基板正面四周的凸起齐平；
流体入口和出口与流体在通道里的流动方向垂直。
2.按照权利要求1的一种流体强制对流错位复杂微通道微型换热器，其特征在于，通道的高度大于200微米，通道高度大于基板底层的厚度。
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| GR01 | Patent grant | ||
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