申请/专利权人：华北电力大学(保定);北京工业大学

申请日：2018-08-21

公开（公告）日：2024-03-22

公开（公告）号：CN109378303B

主分类号：H01L23/427

分类号：H01L23/427

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.22#授权;2019.03.19#实质审查的生效;2019.02.22#公开

摘要：微针肋簇阵列微通道微型换热器，属于于微电子技术强化换热领域。本装置结构包括依次堆叠封装在一起的封装片1，基板2；封装片1上开有与外部管路连接的流体入口3和流体出口4；基板正面加工微针肋簇阵列微通道5、入口储液池6和出口储液池7。微针肋簇阵列内微针肋簇单元顺列布置，X方向间距L和Y方向间距Lb，以及微针肋簇单元结构尺寸X方向La和Y方向H，均可根据实际需求通过优化设计经MEMS加工技术实现。本发明相比较一般微通道微型换热器，可满足更大功率电子芯片的散热，具有沸腾起始点壁面温度更低，流动沸腾压力降更低，芯片上温度分布均匀性更高等优点，使高热流电子器件实现更高效热管理。

主权项：1.一种微针肋簇阵列微通道微型换热器，其特征在于，包括由依次堆叠封装在一起的封装片1、基板2；封装片1上开有与外部管路连接的流体入口3和流体出口4；基板正面加工微针肋簇阵列微通道5、入口储液池6和出口储液池7，入口储液池6和出口储液池7分别位于微针肋簇阵列微通道5的两侧，流体入口3和入口储液池6上下相对，流体出口4和出口储液池7上下相对；所述的微针肋簇阵列微通道5采用多个微针肋簇单元10顺列或错列而成；每一个微针肋簇单元10由多个独立的微针肋柱排列而成；微针肋簇单元10内微针肋柱排列的密度为均匀的或内部相对较密、外部相对较稀，简称内密外稀；内密外稀，内部较密的相邻两个微针肋柱之间的距离为lc，外部较稀的相邻两个微针肋柱之间的距离为ls，lc小于ls，且ls与lc的方向一致；内部较密的微针肋柱之间的排列方式与外部较稀的微针肋柱之间的排列方式相同或不同；所述的微针肋簇阵列微通道5采用不低于3个微针肋簇单元10顺列或错列而成；每一个微针肋簇单元10由至少三个独立的微针肋柱排列而成，排列形状选自圆形、菱形、三角形、矩形、水滴形、翼型、椭圆形、圆锥形中的一种。

全文数据：微针肋簇阵列微通道微型换热器技术领域本发明属于强化换热技术领域，涉及一种微针肋簇阵列微通道微型换热器。背景技术随着功能型与紧凑型为一体的微电子设备不断发展，聚光太阳能光伏板、雷达、激光武器电磁炮等先进微能源和微电子系统高度模块化和微型化，有限体积内电子元件数量急剧增加，封装密度不断提高，热流密度不断增大，导致微电子设备局部温度过高问题日益突出。据不完全统计，电子设备故障率有55％是由温度超过电子元件规定值引起。器件工作可靠性对温度变化十分敏感，电子元件温度在极限温度水平上每增加10℃，可靠性会下降一半，使用寿命也会大幅度降低。电子元件产生的高热量不及时移除，会对器件可靠性和使用寿命造成极大威胁。因而有必要研究和开发高效散热装置来满足高热流密度电子元件散热需求。目前国内外研究的微冷却器有：微通道热沉、微冷冻机、微热管均热片及集成式微冷却器等。微通道散热技术作为一种高换热系数器件级散热方法，加工技术比较成熟，且可直接集成在微电子元件上，因而可广泛应用于各种高功率密度微型电子设备阵列冷却，从热控和热管理角度有效解决大功率电子器件降温差和控温难等问题，提高微电子设备使用寿命和可靠性。目前微通道换热研究主要分为单相对流传热和蒸发传热两个方向。与单相对流传热相比，微通道沸腾传热具有传热系数高、工质流速低、工质用量小、热沉温度分布均匀等优点。但目前用于沸腾传热的微通道换热器在设计方面存在以下局限：其一，小尺度流动沸腾所产生的较大压力降；其二，微加工技术导致通道壁面光滑，粗糙度甚至在纳米级，较少的合适尺寸核化穴导致沸腾起始点较高、临界热流密度低；其三，较容易产生沸腾不稳定性。目前文献中提到的降低沸腾起始点，强化传热方法，大多数研究集中在对微通道底面和肋壁进行改进，底面如刻蚀凹穴、覆盖纳米线\碳纳米管、亲水性涂层，肋壁如刻蚀凹穴、渐扩微通道、正弦曲线微通道、间断微通道。以上方法亦能在一定程度上抑制沸腾不稳定。控制沸腾不稳定方面，文献中大多数研究选择在微通道入口加装节流装置，以提高进出口压降消耗更多泵功为代价抑制流动沸腾不稳定。本发明采用微针肋簇阵列微通道换热器，通过对单元微针肋簇结构布置和尺寸的优化设计，和对微针肋簇阵列结构尺寸优化设计，可在满足降低流动阻力条件下，同时降低沸腾起始点，高临界热流密度，强化传热，沸腾不稳定彻底消除。其应用于大功率芯片散热的装置，具有优越的热匹配性、高效热移除、温度均匀等性能。发明内容有鉴于此，本发明的首要解决的技术问题是提供一种微针肋簇阵列微通道换热器，能同时实现降低流动阻力、降低沸腾起始点、强化传热，消除沸腾不稳定，解决微电子器件表面高效热移除、芯片温度分布均匀性，以及微通道蒸发器与芯片的热匹配等问题，为芯片的高效稳定运行提供可靠的热管理。本发明设计了一种流体沸腾传热的微针肋簇阵列微通道微型换热器，其特征在于，如图1所示，包括由依次堆叠封装在一起的封装片1、基板2；封装片1上开有与外部管路连接的流体入口3和流体出口4；基板正面加工微针肋簇阵列微通道5、入口储液池6和出口储液池7，入口储液池6和出口储液池7分别位于微针肋簇阵列微通道5的两侧，流体入口3和入口储液池6上下相对，流体出口4和出口储液池7上下相对；如图2所示，将封装片1与基板2键合在一起形成封闭的微针肋簇阵列微通道换热器8。在微型换热器内形成流体流动循环。在微型换热器内，工质依次流经流体入口3、入口储液池6、微针肋簇阵列微通道5、出口储液池7、流体出口4。换热工质流经入口储液池6后，将均匀分散进入微针肋簇阵列微通道5，通过沸腾传热从微通道底面和微针肋表面带走热量，然后汇集到出口储液池7中。本发明提出的微针肋簇阵列微通道5的加工区域可根据被冷却电子器件尺寸确定。为了更加明确基板2的结构，图1b、图1c、图1d，图1e，分别给出了基板2的俯视图、主视图、A-A剖面图，以及B-B剖面图。所述的微针肋簇阵列微通道5采用多个不低于3个微针肋簇单元10顺列或错列而成；每一个微针肋簇单元10由多个至少三个独立的微针肋柱排列而成，排列形状选自圆形、菱形、三角形，矩形、水滴形、翼型、椭圆形、圆锥形；微针肋簇单元10内微针肋柱排列的密度为均匀的或内部相对较密、外部相对铰稀，简称内密外稀；优选内密外稀，内部较密的相邻两个微针肋柱之间的距离为lc，外部较稀的相邻两个微针肋柱之间的距离为ls，lc小于ls，且ls与lc的方向一致；内部较密部分的微针肋柱之间的排列方式与外部较稀部分的微针肋柱之间的排列方式相同或不同，如内部为正方向排列，外部为三角形排列。相邻两个微针肋柱间距l为3μm-50μm。单根微针肋柱轴向截面形状选自圆形、菱形、三角形，矩形、水滴形、翼型、椭圆形、圆锥形，水力直径d为3μm-50μm。微针肋簇阵列微通道5中沿入口储液池6与出口储液池7的最近连接方向记为一排的排列方向，在一排中相邻两个微针肋簇单元10之间的距离L均相等，任意两排之间的距离Lb也均相等；微针肋簇单元10沿排方向的尺寸为La，垂直排方向的尺寸为H，L、H、La、Lb、内部较密部分的面积与外部密度较稀部分的面积比例关系，可根据需要进行调节。基板正面中间位置设有凹槽，微针肋簇阵列微通道5、入口储液池6和出口储液池7均位于凹槽内。凹槽在垂直排方向的横截面形状为等截面矩形、等截面梯形、变截面矩形、变截面梯形。本发明采用如下技术方案：本发明基于以下三种机理：微肋柱增大换热面积和对流体形成扰动的对流换热理论，相邻微肋柱间隙可提供大量额外合适尺寸核化穴的核化理论，微针肋簇单元间流体互联互通以及微针肋簇单元内毛细力运输提供核化所需液体并避免局部蒸干的流体力学理论耦合两相流理论。在换热器主要部分采用微针肋簇阵列微通道5。如图4所示，微针肋簇阵列微通道5由N个相同微针肋簇顺列或错列而成，相邻微针肋簇单元最外缘点流动方向尺寸La和垂直于流动方向尺寸Lb间隔距离分别均等。La和Lb大小，微针肋簇单元结构形状，结构尺寸流动方向尺寸L和垂直于流动方向尺寸H，微针肋簇单元内微肋柱疏密布置方式最小间距lc和最大间距ls大小，以及微肋柱横截面形状和直径d，均可根据实际散热功率和器件尺寸等实际需求优化设计。微针肋簇增加了换热面积并对流体形成扰动，提高了换热效率，微肋柱间隙提供的额外核化穴极大地降低沸腾起始点，避免了壁面温度过高造成的汽相爆炸性生长引致沸腾不稳定，微针肋簇单元间距的存在可使得微通道内形成互连互通的整体，极大地提高了微通道内汽液两相沸腾均匀性，从而提高微通道内温度分布均匀性，微针肋簇单元内间隙强化了毛细力对液体的输运，从而有效避免了局部蒸干现象并提高临界热流密度。综上，三大机制耦合效应触发下的微针肋簇阵列微通道微型换热器是高热流密度芯片高效热管理的极有效方法。换热工质可选用去离子水、丙酮、甲醇、制冷剂如FC-72等绝缘流体。根据所用工质及电子器件的最佳工作温度范围，在换热表面上形成微针肋簇阵列微通道的蒸发传热来实现冷却技术要求。微型换热器材料可选用钨铜与无氧铜、硅等。总体几何形状、尺寸可根据电子器件尺寸及总体封装要求确定。主要适用于条形、方形等发热表面的冷却。本发明的优点在于：1、微针肋簇阵列微通道有效增大了换热面积并强化了流体扰动，有效地提高了换热效率；2、微肋柱间隙可作为的额外核化穴，从而极大地降低沸腾起始点，避免高热流密度下壁面温度过高核化汽泡发生爆炸性生长，从而从根本上消除流动沸腾不稳定；3、相比于一般肋壁间隔的微通道换热器，微针肋簇单元间距的存在可使得微通道内形成互连互通的整体，相同换热量下，压降显著降低，微通道内汽液两相沸腾均匀性显著提高，从而提高微通道内温度分布均匀性；4、相比于一般肋壁间隔的微通道换热器，微针肋簇单元内间隙强化了毛细力对液体的输运，从而有效避免了局部蒸干现象并提高临界热流密度。附图说明图1：本发明的具有微针肋簇阵列微通道换热器的结构示意图；a：本发明封装片的俯视图；b：本发明的具有微类簇阵列微通道的基板俯视图；c：本发明的具有微针肋簇阵列微通道的基板主视图。d：本发明的具有微针肋簇阵列微通道的基板A-A剖面图。e：本发明的具有微针肋簇阵列微通道的基板B-B剖面图。图2：具有图1所示结构的本发明示意图。图3：本发明具有微针肋簇阵列微通道流体冷却大功率芯片微型换热器的整体结构示意图；图4：本发明实施例1的微针肋簇阵列微通道结构示意图；a：微针肋簇阵列示意图；b：微针肋簇单元结构示意图。图5：本发明实施例2的微针肋簇阵列微通道结构示意图；a：微针肋簇阵列示意图；b：微针肋簇单元结构示意图。图中：1、封装片，2、基板，3、流体进口，4、流体出口，5、微针肋簇阵列微通道，6、入口储液池，7、出口储液池，8、微型换热器，9、模拟热源，10、微针肋簇单元。具体实施方式本文提供了一种用于蒸发换热的微针肋簇阵列微通道微型换热器，以下将结合附图和具体实施方式对本发明的优选实例作进一步的描述：应当理解，优选实例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。实施例1微针肋簇阵列微通道微型换热器由封装片1和微通道基底2组成。封装片采用7740耐热玻璃，基底采用硅，工质采用丙酮。由于大功率芯片的成本非常昂贵，本实施方案采用模拟热源代替芯片进行性能测试实验研究。模拟热源采用Pt铂金属蛇形加热膜。经过设计优化，该加热膜能够均匀地产热，模拟大功率芯片的产热。铂加热膜的输入电压可根据芯片的产热量确定。如图3所示，通过镀膜技术在硅基背面镀上厚度为100纳米的均匀蛇形Pt铂金属膜，通电后产热模拟芯片的产热，用微针肋簇阵列微通道换热器冷却加热膜9。通过MEMS技术在厚度为400微米的硅基上刻蚀深80微米的微通道，然后与带有直径1mm圆形流体进出口的玻璃键合，形成微型换热器。硅基上含有微针肋簇阵列微通道结构区域尺寸和加热膜区域尺寸一致。整个微型换热器的外形尺寸为24×8.4×0.8mm3。微针肋簇阵列局部结构如图4b所示内部为正方形排列即顺列，外部为三角形排列即错列，微通道由等间距排列的微圆柱簇单元错列排列组成见图4a，定义流动方向和垂直于流动方向分别为X即排的方向和Y方向。X方向间距L和Y方向间距Lb均为250μm，微针肋簇单元X方向尺寸La和Y方向尺寸H均为250μm。微针肋簇单元由125个直径d均为10μm微圆柱组成6层内密外疏的等边长菱形轮廓，由中心向外4层密集排列2层稀疏排列，密集排列处平行于菱形轮廓边相邻微圆柱间距lc为4.1μm，稀疏排列处平行于菱形轮廓相邻微圆柱间距ls为18.3μm。冷却工质经流体入口3进到入口储液池6中，均匀分散进入微圆柱菱形排列微通道5，通过沸腾传热从微通道底面和微圆柱表面带走热量后，汇集到出口储液池7中，最后从流体出口4流出。实现了高热流密度电子器件的均匀性散热，保证电子器件的温度能够维持在最佳工作温度范围内，延长电子器件使用寿命。实施例2微针肋簇阵列微通道微型换热器由封装片1和微通道基底2组成。封装片采用7740耐热玻璃，基底采用硅，工质采用丙酮。由于大功率芯片的成本非常昂贵，本实施方案采用模拟热源代替芯片进行性能测试实验研究。模拟热源采用Pt铂金属蛇形加热膜。经过设计优化，该加热膜能够均匀地产热，模拟大功率芯片的产热。铂加热膜的输入电压可根据芯片的产热量确定。如图3所示，通过镀膜技术在硅基背面镀上厚度为100纳米的均匀蛇形Pt铂金属膜，通电后产热模拟芯片的产热，用微针肋簇阵列微通道换热器冷却加热膜9。通过MEMS技术在厚度为400μm的硅基上刻蚀深80μm的微通道，然后与带有直径1mm圆形流体进出口的玻璃键合，形成微型换热器。硅基上含有微针肋簇阵列微通道结构区域尺寸和加热膜区域尺寸一致。整个微型换热器的外形尺寸为24×8.4×0.8mm3。微针肋簇阵列局部结构如图5所示，微通道由等间距排列的微圆柱簇单元错列排列组成，X方向即排的方向间距L和Y方向间距Lb均为170μm，微针肋簇单元X方向尺寸La和Y方向尺寸H均为170μm。微针肋簇单元由53个直径d均为10μm微圆柱组成4层内密外疏的等边长菱形轮廓，由中心向外2层密集排列2层稀疏排列，密集排列处平行于菱形轮廓边相邻微圆柱间距lc为4.1μm，稀疏排列处平行于菱形轮廓相邻微圆柱间距ls为18.3μm。冷却工质经流体入口3进到入口储液池6中，均匀分散进入微圆柱菱形排列微通道5，通过沸腾传热从微通道底面和微圆柱表面带走热量后，汇集到出口储液池7中，最后从流体出口4流出。实现了高热流密度电子器件的均匀性散热，保证电子器件的温度能够维持在最佳工作温度范围内，延长电子器件使用寿命。本实施例与实施例1的区别仅在于微针肋簇阵列微通道的结构不同。首先，实施例1中微针肋簇单元排布方式为顺列，而实施例1中排布方式为错列，微针肋簇单元X方向间距L和Y方向间距Lb均小于实施例1中相应尺寸；其次，实施例2中微针肋簇单元中微圆柱个数少于实施例1中个数，从而由中心向外层数小于实施例1中层数，微针肋簇单元X方向尺寸La和Y方向尺寸H均小于实施例1中相应尺寸。

权利要求：1.一种流体沸腾传热的微针肋簇阵列微通道微型换热器，其特征在于，包括由依次堆叠封装在一起的封装片1、基板2；封装片1上开有与外部管路连接的流体入口3和流体出口4；基板正面加工微针肋簇阵列微通道5、入口储液池6和出口储液池7，入口储液池6和出口储液池7分别位于微针肋簇阵列微通道5的两侧，流体入口3和入口储液池6上下相对，流体出口4和出口储液池7上下相对；所述的微针肋簇阵列微通道5采用多个微针肋簇单元10顺列或错列而成；每一个微针肋簇单元10由多个独立的微针肋柱排列而成。2.按照权利要求1所述的一种流体沸腾传热的微针肋簇阵列微通道微型换热器，其特征在于，所述的微针肋簇阵列微通道5采用不低于3个微针肋簇单元10顺列或错列而成；每一个微针肋簇单元10由至少三个独立的微针肋柱排列而成，排列形状选自圆形、菱形、三角形、矩形、水滴形、翼型、椭圆形、圆锥形。3.按照权利要求1所述的一种流体沸腾传热的微针肋簇阵列微通道微型换热器，其特征在于，微针肋簇单元10内微针肋柱排列的密度为均匀的或内部相对较密、外部相对铰稀，简称内密外稀。4.按照权利要求3所述的一种流体沸腾传热的微针肋簇阵列微通道微型换热器，其特征在于，内密外稀，内部较密的相邻两个微针肋柱之间的距离为lc，外部较稀的相邻两个微针肋柱之间的距离为ls，lc小于ls，且ls与lc的方向一致；内部较密部分的微针肋柱之间的排列方式与外部较稀部分的微针肋柱之间的排列方式相同或不同。5.按照权利要求3所述的一种流体沸腾传热的微针肋簇阵列微通道微型换热器，其特征在于，相邻两个微针肋柱间距l为3μm-50μm。6.按照权利要求1所述的一种流体沸腾传热的微针肋簇阵列微通道微型换热器，其特征在于，单根微针肋柱轴向截面形状选自圆形、菱形、三角形，矩形、水滴形、翼型、椭圆形、圆锥形，水力直径d为3μm-50μm。7.按照权利要求1所述的一种流体沸腾传热的微针肋簇阵列微通道微型换热器，其特征在于，微针肋簇阵列微通道5中沿入口储液池6与出口储液池7的最近连接方向记为一排的排列方向，在一排中相邻两个微针肋簇单元10之间的距离L均相等，任意两排之间的距离Lb也均相等；微针肋簇单元10沿排方向的尺寸为La，垂直排方向的尺寸为H，L、H、La、Lb、内部较密部分的面积与外部密度较稀部分的面积比例关系，可根据需要进行调节。8.按照权利要求1所述的一种流体沸腾传热的微针肋簇阵列微通道微型换热器，其特征在于，基板正面中间位置设有凹槽，微针肋簇阵列微通道5、入口储液池6和出口储液池7均位于凹槽内；凹槽在垂直排方向的横截面形状为等截面矩形、等截面梯形、变截面矩形、变截面梯形。9.根据权利要求1所述的一种流体沸腾传热的微针肋簇阵列微通道微型换热器，其特征在于所述的基板和封装片材质为：钨铜、无氧铜、硅；微针肋簇阵列微通道5高度大于基板厚度。

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