CN100495692C - 带有微沟槽翅结构的毛细泵吸冷却装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有微沟槽翅结构的毛细泵吸冷却装置及其制造方法，该装置包括蒸发器、冷凝器、蒸汽联管和液体联管，蒸发器与冷凝器通过蒸汽联管与液体联管连接，构成一个液体工质在其内部循环的系统，蒸发器和冷凝器内堆叠有多块微沟槽翅化沸腾强化板，所述微沟槽翅化沸腾强化板的上下两面均带有微沟槽翅结构，且上面的微沟槽与下面的微沟槽相互交错，使两面的微沟槽相通，形成大量的微通孔。该毛细泵吸冷却装置主要应用于微电子芯片散热，解决微电子芯片高热流密度条件下的热扩散问题。本发明采用犁切-挤压成形加工微沟槽翅结构和刨削成形加工整体式翅片散热片，该结构用于蒸发器和冷凝器中有助于强化沸腾、促进冷凝、加快对流散热，提出的加工方法成本低、效率高，易于产业化。

Description

带有微沟槽翅结构的毛细泵吸冷却装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种冷却技术，尤其是电子芯片的冷却技术，具体是采用相变原理进行热量传递，主要应用于微电子芯片散热，解决微电子芯片高热流密度条件下的热扩散问题的带有微沟槽翅结构的毛细泵吸冷却装置及其制造方法。

背景技术

随着微电子技术的高速发展，电子产品趋向于高性能、便携式、微小型化的方向发展。微处理器芯片的主频和集成度的提高导致了高热流密度问题产生，并已经成为当前制约高集成度芯片技术发展的首要问题。对于高热流密度芯片，若未能适时导出所产生的热量，则芯片上的热量会不断增加和积累，导致芯片温度迅速上升，因此电子元器件可靠性的改善，功率容量的增加以及结构的微小型化等都直接取决于芯片本身热控制的完善程度。

目前，0.09微米制程的Prescott核心Pentium4处理器已超过105W的满载发热量，即使采用全铜散热片的风冷散热器，3GHz水平的Prescott核心处理器仍然可以轻松达到高过环境温度40℃的核心温度，传统的强制空气对流散热器已无法满足散热要求。因而，市场已较多地采用热管散热器。这种热管直径一般在3～6mm之间，由管壳、吸液芯和工作液体组成。吸液芯毛细多孔材料紧贴于管内壁，将管内抽成一定的负压后再充以适量的液体工质，加以密封。吸液芯有多种：烧结吸液芯、沟槽吸液芯、丝网吸液芯等。热管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，中间为绝热段。当热管的一端受热时毛细吸液芯中的液体蒸发，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再由多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此不断循环，完成热量转移。但是受蒸发和冷凝面积的限制，单根热管的散热能力也是极为有限的。现在，很多散热器已采用多根热管的散热方式。随着芯片主频和集成度的继续提高，热管散热器需要的热管会越来越多，这势必影响芯片的微型化趋势。另外，热管还存在安装适应性不好的问题，由于热管从蒸发段至冷凝段整根管都含有毛细吸液芯结构，当热管弯曲时会造成毛细结构(吸液芯)破坏，导致其传热性能减退，影响冷却效果。

目前采用相变传热的还有热虹吸器、毛细泵吸环路和环路热管。热虹吸器是一个依靠重力辅助循环的蒸发冷凝两相传热装置，由蒸发器、冷凝器、蒸汽管和回流管组成，不含毛细结构。由于依靠重力辅助循环，热虹吸器在应用上需要一定的空间高度，不适合微电子芯片散热需求。毛细泵吸环路和环路热管是分别由美国和俄罗斯为了解决航空航天热控制问题而提出的，并独立向前发展，但组成和原理相似，均由蒸发器、储液器、冷凝器、蒸汽管和回流管组成。液体工质在蒸发器和冷凝器中完成蒸发冷凝相变，由毛细结构对液体的泵吸作用完成工质的补充，实现循环。冷凝结构多采用管道外加散热肋片，工质在管道内冷凝，冷凝效率不高。该装置航天器上是适用的，但小型化会带来问题，主要是受蒸发冷凝结构的限制，不能满足高热流密度的散热要求。

对于宏观沟槽结构的加工，目前是采用旋压、线切割和挤出成形加工，但只能生成光滑的宏观沟槽。不能加工出既带宏观结构、又带亚结构及微结构叠合的多维多尺度翅结构功能表面。微结构的微沟槽加工可采用微纳加工技术，目前研究较多的有激光雕刻、化学腐蚀、化学汽相淀积、反应离子刻蚀等技术，但这些技术只能加工生成某一特定尺度范围内的结构，而且这些工艺还处于研究阶段，尚未产业化，而且其加工成本高，难度大。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的缺点，针对微电子芯片散热，提供一种带有微沟槽翅结构的毛细泵吸冷却装置，解决微电子芯片高热流密度条件下的热扩散问题。该装置具有高热传导能力、无机械运动部件、结构简单、适应性好的优点，并能突破热管的散热极限，解决热管的柔性问题。在该装置蒸发器和冷凝器中加入蒸发冷凝强化结构，提高蒸发冷凝效率，可适应芯片高热流密度散热要求，并适合微型化或小型化。

本发明另一目的在于提供一种加工微沟槽翅结构的犁切-挤压成形方法。该加工方法成本低、效率高，易于产业化。

本发明还有一目的在于提供一种加工微沟槽翅结构的刀具。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

带有微沟槽翅结构的毛细泵吸冷却装置，包括蒸发器、冷凝器、蒸汽联管、液体联管以及液体工质，蒸发器与冷凝器通过蒸汽联管与液体联管连接，构成一个液体工质在其内部循环的系统；所述蒸发器由毛细芯将其分为分隔为储液室和蒸发室，所述蒸发器和冷凝器内堆叠有多块微沟槽翅化沸腾强化板，所述微沟槽翅化沸腾强化板的上下两面均带有微沟槽翅结构，且上面的微沟槽与下面的微沟槽相互交错，使两面的微沟槽相通，形成大量的微通孔，即上下两面的微沟槽交错互通，亦即所述的微沟槽翅化沸腾强化板为交错互通微沟槽翅化沸腾强化板；所述微沟槽翅结构由微沟槽、凸缘和按间隔式排列的微翅组成，两微沟槽之间有凸缘，凸缘上带有按间隔式排列的微翅，构成一个宏观结构、亚结构及微结构叠合的多维多尺度翅结构功能表面。

微沟槽翅化沸腾强化板由导热性好的金属薄板制成，该金属包括金、银、铜、铝或铝合金。冷凝器外侧带有整体式翅片散热片，并与一风扇配合，以强化冷却效果。蒸汽联管和液体联管由金属光壁管或耐热柔性管制成，蒸汽联管的直径比液体联管的直径大。

液体工质为甲醇，沸点为64.7℃。根据散热要求，液体工质还可采用乙醇、乙烯、丙酮、氨水、异丁烷、FC-72、PF-5060、HCFC 141b等其它不同的工质。

该装置的原理是，液体工质在蒸发器内吸热蒸发，蒸汽在饱和毛细芯对气体的阻碍作用下通过蒸汽联管流向冷凝器，在冷凝器内冷凝放热，在气体的压力下液体工质流向蒸发器储液室，经毛细泵吸作用，液体工质被泵吸至蒸发器蒸发室补充被蒸发掉的工质，不断循环，完成蒸发冷凝相变传热。

蒸发器由毛细芯将其分为储液室和蒸发室两部分，蒸发室中的液体工质吸热蒸发，储液室中的工质通过毛细泵吸作用补充蒸发室蒸发掉的工质。储液室内壁涂有隔热涂层，防止储液室内工质蒸发，产生气泡。毛细芯采用平板烧结毛细结构。蒸发室内的多块交错互通微沟槽翅化沸腾强化板堆叠而成的蒸发强化结构，由于两面带有微沟槽翅结构，且两面微沟槽相通，形成大量微通孔，汽、液两相流可纵横、上下交错流动，促进湍流，槽边缘带有按间隔式排列的微翅，可促进核态沸腾。

冷凝器由导热性好的铜或铝等金属材料制成，冷凝室含有多微通道翅化冷凝结构表面，汽、液两相流可在多微通道内流动，冷凝器外侧带有整体式翅片散热片。整体式翅片散热片外可加一个风扇进行强制对流空气冷却，促进工质冷凝。

蒸汽联管和液体联管均由金属光壁管或耐热柔性管制成，蒸汽联管比液体联管直径大，两者形状可根据安装需要任意弯曲、延长或缩短，可避免热管弯曲散热性能下降的弊端。

液体工质可根据热控制系统目标冷却温度要求和环境温度选择不同工质，适应不同散热器件和环境的要求。

制造微沟槽翅结构的方法，采用犁切-挤压成形刀具一次加工，在刀具前行时发生犁切成槽、挤压成缘、滑移撕裂和堆积成翅四个过程，这四个过程具体是犁切-挤压成形刀具的犁切刃在工件表面劈出微沟槽；被劈分的金属沿主挤压面和副挤压面向外流动，形成凸缘；随着刀具的前行，由于主挤压角较大，凸缘上的金属与主挤压面的摩擦激增，导致微小范围的冷焊，金属不能继续流动，发生滑移撕裂；并在此堆积成翅，随着堆积的金属增多，微翅强度增大，裂纹难以继续扩展，金属堆积无法继续，微翅与主挤压面脱离，开始下一个循环。四个阶段周而复始循环形成具有按间隔式排列的微翅的微沟槽翅结构。犁切-挤压成形加工微沟槽翅结构与目前研究较多的微纳加工技术(如激光雕刻、化学腐蚀、化学汽相淀积、反应离子刻蚀等技术)相比，最大特点就是能克服这些技术只能加工生成某一特定尺度范围内结构的缺点，该加工方法能一次成形具有宏观结构、亚结构及微结构叠合的多维多尺度翅结构功能表面，并且在现有装备和技术条件下易于产业化。

用于制造微沟槽翅结构的犁切-挤压成形刀具，包括将金属切开并向两个挤压面分流的犁切刃、使切开的金属挤压成缘和堆积成翅的主挤压面、使缘、翅结构高度进一步增大并对其进行修整的副挤压面；所述由主挤压面与中心形成的主挤压角比由副挤压面与中心形成大的副挤压角大。

整体式翅片散热片与冷凝器基部是一个整体，位于冷凝器外侧，通过空气对流散热促进冷凝器内部工质冷凝。该整体式翅片散热片采用刀具对工件刨削而成。在生成连续带状切屑的基础上，通过控制切屑卷曲程度，获得产生和基座不分离的平直的整体式翅片。

本发明具有如下的特点：

(1)该带有微沟槽翅结构的毛细泵吸冷却装置具有高热传导能力、无机械运动部件、结构简单、适应性好等优点。能突破热管的散热极限，传热性能较热管高2个数量级，并能解决热管的柔性问题。由于带有蒸发冷凝强化结构，蒸发冷凝效率提高，因而该装置可以微型化或小型化，以适应芯片高热流密度散热要求。

(2)微沟槽翅结构是一个同时具有宏观结构、亚结构及微结构的多维多尺度翅结构功能表面。其犁切-挤压成形方法简单易易行，能解决目前激光雕刻、化学腐蚀、化学汽相淀积、反应离子刻蚀等微纳加工技术难于产业化的难题。

(3)刨削成形整体式翅片散热片具有工艺简单、对设备要求不高、散热片薄、间距小、片数多、散热面积大等特点。而且翅片根部与基座连为一体，可避免焊接中焊缝造成的不足，导热性能好，热传导效率更高，具有更高可靠性。

附图说明

图1是带有微沟槽翅结构的毛细泵吸冷却装置的结构示意图

图2是图1中蒸发器的剖视图

图3是图2中的交错互通微沟槽翅化沸腾强化板

图4是图3中冷凝器的冷凝微沟槽翅结构与整体式翅片散热片

图5是加工微沟槽翅结构的犁切-挤压成形刀具侧面图

图6是图5中犁切-挤压成形刀具的O-O向视图

图7是图5中犁切-挤压成形刀具的S向视图

图8是微沟槽翅结构的加工示意图

图9是微沟槽翅结构实物的电镜扫描图片

图10是图4中整体式翅片散热片的加工装置及加工过程示意图

图11是图10中整体式翅片散热片的校正示意图

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。

如图1所示，带有微沟槽翅结构的毛细泵吸冷却装置包括蒸发器1、冷凝器2、蒸汽联管3和液体联管4，内部充灌一定量沸点低于被散热温度的液体工质，本实施例中，工质为甲醇，沸点为64.7℃。根据散热要求，液体工质亦可采用乙醇、乙烯、丙酮、氨水、异丁烷、FC-72、PF-5060、HCFC 141b等其它不同的工质。蒸发器1和冷凝器2由蒸汽联管3和液体联管4连接构成一个环路系统，蒸汽联管3和液体联管4采用光璧金属管(也可为其它的耐热柔性管)，其形状可以根据安装条件要求任意变形、延长或缩短，从而蒸发器1和冷凝器2的位置是不固定的，可以根据安装条件作相应改变。

如图2所示，蒸发器1由蒸发底板10、堆叠交错互通微沟槽沸腾强化翅结构11、毛细芯12、蒸发器璧13和蒸发器盖14组成。由毛细芯12将蒸发器1内部分割成蒸发室15和储液室16两部分。蒸发室15含有堆叠交错互通微沟槽沸腾强化翅结构11，蒸发底板10带有微沟槽翅结构100，堆叠交错互通微沟槽沸腾强化翅结构11由多层交错互通微沟槽翅化沸腾强化板110堆叠而成。储液室16和液体进口131周围涂有隔热涂层17，隔热涂层采用KF-520(氧化铝Al2O3)隔热涂层；根据隔热涂层的现有技术，还可采用KF-230(氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷粉)、丙烯酸纳米微孔液隔热涂层，使用隔热涂层的目的是防止储液室内工质蒸发，产生气泡。

如图3所示，交错互通微沟槽翅化沸腾强化板110两面均带有微沟槽翅结构100，两面的微沟槽翅结构100交错使两面微沟槽相通，形成大量微通孔1100，汽、液两相流可纵横、上下交错流动，促进湍流。微沟槽翅结构100由微沟槽1000、凸缘1001和按间隔式排列的微翅1002组成，两微沟槽之间有凸缘1001，凸缘1001上带有按间隔式排列的微翅1002，可促进核态沸腾。微沟槽翅化沸腾强化板110由导热性好的金属薄板制成，本实施例为1mm厚的薄铜板，也可为金、银、铝或铝合金等导热性好的金属材料。

如图4和图1所示，冷凝器2由多微通道翅化冷凝结构表面20与整体式翅片散热片21和冷凝器盖22组成。多微通道翅化冷凝结构表面20亦为微沟槽翅结构100，同样由微沟槽1000、凸缘1001和按间隔式排列的微翅1002组成，汽、液两相流可在多微通道内流动，冷凝器外侧带有整体式翅片散热片21。整体式翅片散热片21外可加一个风扇进行强制对流空气冷却，促进工质冷凝。

毛细芯12直接采用烧结工艺将毛细结构烧结在蒸发器璧13中部，整个环路各外部组件采用钎焊焊接，或采用其他结构方式保证接口处密封。整个环路内部抽成一定程度的真空，加快工质蒸发。

如图5、6、7所示，加工微沟槽翅结构的犁切-挤压成形刀具5具有犁切刃50、主挤压面51、副挤压面52，主挤压角53比副挤压角54大，以增大主挤压面51对流动金属的阻力，利于成翅。犁切刃50的作用是将金属切开，使金属向两个挤压面分流；主挤压面51的作用是挤压成缘和堆积成翅；副挤压面52的作用是修整，使凸缘1001、按间隔式排列的微翅1002的高度进一步增大。刀具前角55为锐角，以保证刀尖部位强度，该角也决定被分流金属的流动方向，使金属沿着垂直于犁切刃50的方向流动。

如图8所示，微沟槽翅结构100的加工时，在犁切-挤压成形刀具5运动过程中发生犁切成槽、挤压成缘、滑移撕裂和堆积成翅，四个过程周而复始循环形成具有按间隔式排列的微翅1002的微沟槽翅结构100。犁切成槽、挤压成缘、滑移撕裂和堆积成翅四个过程是犁切-挤压成形刀具5的犁切刃50在工件表面劈出微沟槽1000；被劈分的金属沿主挤压面51和副挤压面52向外流动，形成凸缘1001；随着刀具的前行，由于主挤压角53较大，凸缘1001上的金属与主挤压面51的摩擦激增，导致微小范围的冷焊，金属不能继续流动，发生滑移撕裂，并在此堆积成翅，随着堆积的金属增多，微翅1002强度增大，裂纹难以继续扩展，金属堆积无法继续，微翅1002与主挤压面51脱离，开始下一个循环。经上述方法加工的微沟槽翅结构100实物的电镜扫描图片如图9所示。

如图10所示，整体式翅片散热片21利用刨削成形刀具7对工件8刨削而成，刨削成形刀具7刃倾角为0°，前角为50°～55°，后角为3°。在生成连续带状切屑的基础上，通过控制切屑卷曲程度，获得产生和基座不分离的平直的整体式翅片散热片21。每一个刨削行程能生成一个翅片，刨削成形的翅片并不与冷凝基体垂直，需要校正，如图11所示。校正时可使用弹性好的橡皮垫9压住翅片顶部，使橡皮垫9与每片翅片咬合，然后沿图示方向施加推力F，使各翅片整体偏移至与冷凝基体垂直。

因此，借助于传统的加工方法，采用犁切-挤压成形方法可生成微沟槽翅结构100，微沟槽翅结构100不同应用可成交错互通微沟槽翅化沸腾强化板110和多微通道翅化冷凝结构表面20，采用刨削成形工艺可生成整体式翅片散热片21。该加工方法简单易行，能解决目前激光雕刻、化学腐蚀、化学汽相淀积、反应离子刻蚀等微纳加工技术难于产业化的难题，并能一次成形具有宏观结构、亚结构及微结构叠合的多维多尺度翅结构功能表面。

本实施例带有微沟槽翅结构的毛细泵吸冷却装置的最终外观尺寸：蒸发器1体积为42mm×42mm×25mm；冷凝器2体积为30mm×60mm×25mm；蒸汽联管3和液体联管4的外径分别为6mm和4mm，壁厚均为0.5mm。

应用该带有微沟槽翅结构的毛细泵吸冷却装置时，蒸发器1与芯片配合，吸收芯片产生的热量，液体工质在蒸发器1内吸热蒸发，蒸汽在饱和毛细芯12对气体的阻碍作用下通过蒸汽联管3流向冷凝器2，在冷凝器2内冷凝放热，在气体的压力下液体工质流向蒸发器1储液室16，经毛细泵吸作用，液体工质被泵吸至蒸发器1蒸发室15补充被蒸发掉的工质，不断循环，完成蒸发冷凝相变传热。

带有微沟槽翅结构的毛细泵吸冷却装置具有高热传导能力、无机械运动部件、结构简单、适应性好等优点，能突破热管的散热极限，散热性能较热管高2个数量级。由于蒸汽联管3和液体联管4可以根据安装条件要求任意变形、延长或缩短，使蒸发器1和冷凝器2的位置也能作相应改变，因此能解决热管的柔性问题。可适用于个人台式电脑CPU、笔记本电脑CPU、显卡芯片散热和其它高性能芯片散热的需求。

本实施例并非限制本发明要求保护的范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，均包括在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1、带有微沟槽翅结构的毛细泵吸冷却装置，包括蒸发器、冷凝器、蒸汽联管、液体联管以及液体工质，蒸发器与冷凝器通过蒸汽联管与液体联管连接，构成一个液体工质在其内部循环的系统，其特征在于：所述蒸发器由毛细芯将其分隔为储液室和蒸发室，所述蒸发器和冷凝器内堆叠有多块微沟槽翅化沸腾强化板，所述微沟槽翅化沸腾强化板的上下两面均带有微沟槽翅结构，且上面的微沟槽与下面的微沟槽相互交错，使两面的微沟槽相通，形成大量的微通孔；所述的微沟槽翅结构由微沟槽、凸缘和按间隔式排列的微翅组成，两微沟槽之间有凸缘，凸缘上带有按间隔式排列的微翅，构成一个宏观结构、亚结构及微结构叠合的多维多尺度翅结构功能表面。

2、根据权利要求1所述带有微沟槽翅结构的毛细泵吸冷却装置，其特征在于，所述微沟槽翅化沸腾强化板由导热性好的金属薄板制成。

3、根据权利要求2所述带有微沟槽翅结构的毛细泵吸冷却装置，其特征在于，所述金属为金、银、铜、铝或铝合金。

4、根据权利要求1所述的带有微沟槽翅结构的毛细泵吸冷却装置，其特征在于，所述的储液室内壁涂有隔热涂层。

5、根据权利要求4所述的带有微沟槽翅结构的毛细泵吸冷却装置，其特征在于，所述隔热涂层为氧化铝陶瓷粉、氧化锆陶瓷粉或丙烯酸纳米微孔液隔热涂层。

6、根据权利要求1所述带有微沟槽翅结构的毛细泵吸冷却装置，其特征在于，所述冷凝器外侧带有整体式翅片散热片。

7、根据权利要求6所述带有微沟槽翅结构的毛细泵吸冷却装置，其特征在于，所述整体式翅片散热片与风扇配合。

8、根据权利要求1所述带有微沟槽翅结构的毛细泵吸冷却装置，其特征在于，所述的蒸汽联管和液体联管由金属光壁管或耐热柔性管制成，蒸汽联管的直径比液体联管的直径大。

9、一种制造权利要求1所述带有微沟槽翅结构的毛细泵吸冷却装置的方法，其特征在于，所述微沟槽翅结构采用犁切-挤压成形刀具一次加工成型，在刀具前行时发生犁切成槽、挤压成缘、滑移撕裂和堆积成翅四个过程，四个过程周而复始循环形成具有按间隔式排列的微翅的微沟槽翅结构；所述四个过程为犁切-挤压成形刀具的犁切刃在工件表面劈出微沟槽；被劈分的金属沿主挤压面和副挤压面向外流动，形成凸缘；随着刀具的前行，凸缘上的金属与主挤压面的摩擦，产生微小范围的冷焊，金属不能继续流动，发生滑移撕裂；并在此堆积成翅，随着堆积的金属增多，微翅强度增大，裂纹难以继续扩展，金属堆积无法继续，微翅与主挤压面脱离，开始下一个循环。

10、一种用于权利要求9所述方法的犁切-挤压成形刀具，其特征在于，所述刀具包括将金属切开并向两个挤压面分流的犁切刃、使切开的金属挤压成缘和堆积成翅的主挤压面、使缘、翅结构高度进一步增大并对其进行修整的副挤压面；所述刀具的主挤压面与中心形成的主挤压角比所述刀具的副挤压面与中心形成的副挤压角大。

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