CN101048057B - 用于热控制的热分布组件、系统和方法 - Google Patents

用于热控制的热分布组件、系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于热控制的分布装置、系统和方法，其中管道组件的板的表面上的特定位置处具有预定的表面特性，以便增强组件的冷却能力。板的预定的表面特性延缓冲击板表面的流体的速度衰减，同时还增加板暴露给冲击流体的表面区域，其反过来同时使整个热系统在给定最大工作压力下的可靠性和热性能最大化。

Description

用于热控制的热分布组件、系统和方法
技术领域
本发明涉及对电子设备的冷却，并且特别地，涉及一种增强对高功率耗散设备的冷却能力的冷却结构和制造这种冷却结构的方法。
背景技术
现代的电子设备，诸如那些具有增长的功率密度、工作频率和电流泄漏的设备，以及具有小的冷却流体热预算或具有很高平均功率通量的设备，不断地需要改进的热结构以便提供增强的热容量。例如，在具有高平均功率通量的电子设备中，高功率热点(hot spot)可能耗散200至500W/cm2，而很高功率的热点的耗散可能超过500W/cm2。在这样的处理条件下，诸如散热器、散热片和相关联的热接触面之类的传统热技术将不合要求地增加功率通量并且沿着冷却轴生成高的热梯度。
为了解决与这些高的热梯度相关联的问题，已经在本领域引入基于单相快速强迫对流和/或两相蒸发的具有循环流体的设备。这些类型的冷却设备一般包括具有许多用于冲击目标表面的液体喷嘴的主体，以及用于从冷却设备主体与目标表面之间移除废流体的横向排出口(drain)。如此，流体喷嘴阵列的高动能提供紧密靠近该表面的流体，以便实现对目标特别是在喷嘴所冲击的位置处的高的冷却速率。然而，在非直接位于被冲击的表面区域下方的表面区域中，这种高的加热/冷却转移速率迅速下降，其导致对目标的不均匀冷却。同样，横向排出口以径流模式从流体喷嘴移走废流体，其在喷嘴阵列外围处具有最大速度，并且因此不适合用于冷却高功率通量的情形。
当前的流体喷嘴阵列还需要高的流体流动速率，其反过来导致产生不希望的冷却器上压降的增加。已知的循环冷却流体的解决方案还具有最大工作压力以便防止流体泄漏和对系统的机械损害。因为增加流体速度一般将增加冷却能力，所以在传统冷却设备中为了提供诸如高于400W/cm2的高的冷却能力而增加流体速度将产生有害的超过设备压力极限的高工作压力。同样地，操作具有高功率通量情形的现代电子设备所需要的压降限制了传统冷却设备的可扩展性。
由此，在本技术领域中继续存在对改进的热组件以及制作这种组件的方法的需求，其使用于冷却/加热具有高功率通量的部件的流体喷嘴阵列的热转移速率最大化，同时能控制冷却组件中的流体压降。
发明内容
记住现有技术的问题和不足，由此本发明的目的是提供优化了的热流体组件(thermal fluid asssembly)以及制作这种组件的方法，其具有供在高功率通量情形中使用的增强的冷却能力。
本发明的另一目的是提供热流体组件和制作这种组件的方法，其使热转移速率最大化，同时实现低压降。
本发明的另一目的是提供热流体组件和制作这种组件的方法，其具有均匀的热转移速率能力，该热转移速率能力不依赖于被冷却的热生成主体的表面的形状和尺寸。
本发明的另一目的是提供热流体组件和制作这种组件的方法，其是一致的、可靠的、时间效率高的和有成本效益的。
本发明的又一目的是提供热流体组件和制作这种组件的方法，其能够以高于大约400W/cm2的速率和低于10磅/平方英寸的总内部液压降来进行冷却。
根据说明书，本发明的其他目的和优点在某种程度上将是明显的并且在某种程度上将是显而易见的。
本发明实现了上面的目的以及其他目的，其对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的，本发明专注于用于对基板的热控制的分布组件。该组件包括在其暴露的表面区域上具有预定的表面特性的板和连接到该板的管道。该管道具有微喷嘴阵列和分布的排出口。在管道与板和表面特性的暴露的表面区域之间存在一个腔。微喷嘴阵列喷射流体，由此在腔内特别是在腔的壁喷嘴区内，预定的表面特性延缓流体的速度衰减，从而增强了组件的热控制。
在本发明的这个方面，管道和板可以由具有一致的热膨胀系数的材料组成。板和表面特性可以是整体的单片结构，或者它们可以是两个彼此连接的并且由具有一致的热膨胀系数的材料组成的两个不同部件。尽管板可以是冷却板或者是加热板，然而本公开的随后的正文将只参考该设备的冷却方面，这主要是为了简化其描述，但是应当理解相同的设备细节也适用于加热问题。可以将管道连接到板以提供完全封装的热分布组件。也可以将热生成部件连接到板以便控制其温度。在本发明中，被暴露给冲击流体喷嘴速度的板的预定的表面特性的表面区域越大，该组件的热控制的速率就越高。同样，以下是至关重要的：预定的表面特性位于板的暴露的表面区域上这样的位置，以致这些表面特性不会破坏由从微喷嘴阵列喷出的流体所创建的循环图案。
管道优选地包括多个网眼(cell)，由此每个网眼包括基本上位于其中央的微喷嘴和分布的排出口网络。预定的表面特性还具有对应于这多个网眼的配置，以致该表面特性不干扰从微喷嘴阵列喷射的流体。根据本发明，板的预定的表面特性可包括多个与管道的各个网眼对准的圆形腔，带有向内凸出的翼片的圆形腔、多个翼片图案、甚或它们的组合以满足所期望规范。
在另一方面，本发明专注于一种用于热传递的系统。该系统包括具有需要调节温度的基板和连接到该基板的冷却板。该冷却板具有带有预定的表面特性的暴露的表面区域。管道被连接到该冷却板，由此该管道具有微喷嘴阵列和分布的排出口。在该管道与该冷却板的暴露的表面区域之间存在一个腔，由此微喷嘴阵列将流体喷射入该腔中以便冲击这个暴露的表面区域。该表面特性延缓流体的速度衰减，从而增强对该冷却板的热控制。通过增强对该冷却板的热控制，基板的温度也得到控制。
在另一方面，本发明专注于一种对温度进行热控制的方法。提供其暴露的表面区域上具有预定的表面特性的板以及具有分布的排出口和多个用于喷射流体的微喷嘴的管道。将该板连接到该管道，以致该表面特性避免与微喷嘴对准，从而不干扰从微喷嘴喷射的冲击喷射流。当从微喷嘴喷射流体时，流体冲击板上由该表面特性所包围的暴露的表面区域的位置。在这么做时，在流体冲击暴露的表面区域的位置处预定的表面特性维持流体的速度分布以延缓流体的速度衰减，从而增强对组件的热控制。经由分布的排出口，移除所有的废流体。
优选地，管道和板包括具有一致的热膨胀系数的材料，由此在该板的暴露的表面区域上布有各种不同的预定的表面特性，以便控制该板上的各种不同的温度。所喷射的流体可以是冷却流体或加热流体。该管道还可以包括多个网眼，每个网眼包括基本上位于其中央的微喷嘴。该板的表面特性具有与管道内这种网眼的设计相关联的配置，以致这些表面特性不干扰从微喷嘴阵列喷射的流体。此外，预定的表面特性可包括多个与管道的各个网眼对准的圆形腔、多个具有与这些网眼对准的向内凸出的翼片的圆形腔、多个翼片图案、甚或它们的组合以满足所期望规范。该管道还包括带有排出孔分布的分布的排出口，该排出孔分布与多个网眼分布近似匹配。
附图说明
在所附的权利要求书中特别阐明了确信具有新颖性的本发明的特证以及本发明的基本特性。附图仅用于说明目的并且不需要按比例绘出。然而，通过参考以下结合附图的详细描述可以很好地理解本发明本身，包括组织和操作方法二者，在附图中：
图1A是包括液体冲击管道的热组件的横截面图，该液体冲击管道具有流体微喷嘴阵列，其带有连接到平面冷板的分布的排出口网络。
图1B是图1A中的液体冲击管道的顶视图，其示出在组件内被许多分布的排出口包围的微喷嘴。
图2A是图1A中的组件的一部分的横截面分解图，其由图1B中的虚贯穿线A-A’来标明。
图2B是图2A中示出的组件部分的顶透视图。
图3是本发明的热组件的横截面图，该热组件具有图1A-2B中的液体冲击管道，其被连接到改进的具有预定的表面特性的冷板上，该预定的表面特性增强了组件的冷却能力。
图4A-B是本发明的组件的一部分的分解图，其示出改进的具有预定的圆形腔表面特性的冷板。
图5A-B是本发明的组件的一部分的分解图，其示出改进的具有预定的圆形腔表面特性的冷板，该圆形腔带有向内凸出的翼片。
图6A-B是本发明的组件的一部分的分解图，其示出改进的具有预定的被构图的翼片的表面特性的冷板。
图7说明与该改进的供在热组件中使用的冷却板的各种设计相关联的最小压降的绘图。
具体实施方式
在描述本发明的优选实施例时，这里将参考附图中的图1A-7，其中相同的标号表示本发明的相同特征。
本发明专注于用来提高单相微喷嘴冷却器的冷却能力而不会成比例地增加系统工作压力的方法和结构。针对给定工作压力的较高冷却能力导致产生在较低的工作温度下起作用的冷却组件，其反过来增加了组件的可靠性和/或性能。根据本发明，一个管道被连接到板的表面，该板的表面上布有预定的表面特性。当流体喷射流冲击板表面上由该表面特性所包围的位置时，这种表面特性有利地延缓这种冲击流体的速度衰减，以便增强对板的热控制。
参考图1A-1B，诸如半导体芯片之类的需要进行热控制的发热部件10经由散热胶或焊料15连接到另一热转移部件，在下文中称其为冷却板20。使用液体冲击管道30控制该冷却板20的温度，其依次控制该发热部件10的温度。应当意识到并理解，根据本发明可以使用任何类型的管道装置，只要这种管道具有用于将冲击液体喷射到需要进行热控制的表面上的微喷嘴阵列，并且具有用来移除管道与被冲击表面之间的废液的包括排出孔阵列的分布的排出口，在下文中称其为通孔排出口36。
为了易于理解本发明并且不以任何方式来限制本发明，优选的液体冲击管道30包括在垂直目标表面的方向上穿过管道厚度的流体微喷嘴34阵列。通孔排出口36网络也在垂直目标表面的方向上穿过管道厚度，并且与流体微喷嘴阵列相平行。该流体微喷嘴34阵列和通孔排出口36网络被设计并配置到管道主体内的许多预定的亚毫米冷却网眼32，其中每个流体微喷嘴34由至少3个或者更多的通孔排出口36所包围，优选地由4个通孔排出口36所包围。同样地，这些冷却网眼32具有至少3个顶点，由此排出口36位于每个顶点，这些冷却网眼32具有基本上位于其中央的单个微喷嘴34。优选地，流体微喷嘴阵列和分布的排出口网络在整个管道中具有基本相同的密度分布。
应当意识到并理解，冷却网眼可具有各种尺寸和限定的几何形状，包括但不限于正方形、三角形等等。例如，参考图2B，冷却网眼32可以形成正方形网眼阵列，由此每个正方形冷却网眼包括基本上位于其中央的由4个通孔排出口36所包围的流体微喷嘴34。在这方面，正方形冷却网眼中的流体微喷嘴由一个完整通孔排出口的处理功率所包围(也即，4个具有排出口的顶点在每个顶点具有1/4的处理功率，从而给网眼提供一个完整排出口的处理功率)。作为选择，冷却网眼可以形成三角形网眼阵列(未示出)，由此各排出口在三角形网眼之间被分到六分之一部分，以致流体微喷嘴由一个通孔排出口的1/2的功率所包围。因为与每个冷却网眼具有半个通孔排出口的三角形冷却网眼排列相比，正方形冷却网眼对于位于给定网眼内的每个流体微喷嘴具有一个完整的通孔排出口，所以这种类型的配置是优选的；因此，针对一组给定的工作和设计条件，这种冷却网眼还将具有较低的压降。
尽管上面的设计仅是冷却网眼的两种配置，但是应当意识到，在单个管道内，冷却网眼可以被配置为各种其他的相同和/或不相同的形状和尺寸。使用变化形状和尺寸的冷却网眼的组合的好处是能够给管道提供冷却通量能力，其从小网眼区域中的高的热转移速率改变为相对较大网眼的区域中的较低的热转移速率。这能有利地形成具有与待冷却目标表面所期望的冷却耗散分布相匹配的冷却能力的管道，从而使冷却发热部件所需要的总流体流最小化。例如，对于冷却具有局部热点的高功率芯片，具有各式形状和尺寸的局部冷却网眼的组合的不一致的图案是特别有用的。
在任何冷却网眼配置中，与比邻的微喷嘴到微喷嘴的距离相比通孔排出口36更靠近给定冷却网眼32中的给定流体微喷嘴34是至关重要的。同样地，在比邻的冷却网眼32中的比邻的流体微喷嘴34之间的相互作用被有效地解耦合，并且基本上或完全消除位于局部冷却网眼之间的不期望的横向排出口流。管道30被连接到冷却板20，以致在管道30与冷却板20之间形成腔35。为了使管道30的热性能最大化，管道优选地形成为具有大约3到4个无量纲单位的无量纲最小入口微喷嘴间距(也即，两个比邻的入口微喷嘴的最低间距与微喷嘴液压直径之比)和大约2到3个无量纲单位的无量纲缝隙高度(也即，腔高与微喷嘴液压直径之比)。腔35中直接位于微喷嘴下的最大高度被称为缝隙高度。
参考各图，连接装置25将管道30连接到冷却板20，以便对发热部件10进行热控制。连接装置25提供一种将缝隙高度限度并控制到想要的最佳水平的方法。连接装置25可以由金属、塑料或者陶瓷来制成，并且可用诸如粘合剂、胶、焊料等等之类的任何手段甚或它们的组合来连接到管道30和冷却板20。作为选择，连接装置25可以是管道30或冷却板20的组成部分，由此减少组件步骤的数量。
另一种控制缝隙高度的方法是使用内部带有合适大小的垫片的粘合剂、焊料或胶来作为连接装置25。通过使用具有低的固有导热性和与冷却板20的TCE紧密匹配的TCE的材料，由MIC(多层陶瓷)处理来形成管道30。例如管道可以用玻璃陶瓷材料、硅、InvarTM(一种不胀钢)、AIN、SiC、铜、镍等等、聚合物、塑料或者甚至它们的组合来制成。与冷却板20的TCE相匹配的材料是优选的，因为它有利于管道30和冷却板20之间的直接密封，特别是当管道是整体封装的模块时也即当管道30完全封装了组件的腔35时，更是如此。在优选的实施例中，冷却板20包括硅板，而管道包括具有低的固有导热性(优选地大约2W/mK)和与硅的TCE紧密匹配的TCE(或者大约3.0E-6K-1)的玻璃陶瓷材料。
参考图2A-2B，当管道30被连接到冷却板20时，流体微喷嘴34从管道的顶表面以垂直于冷却板的目标表面的流入速度提供冷却流体。冷却流体喷出微喷嘴并且冲击目标表面，从而按预定的冷却速率分布来冷却这个表面。排出口36网络接着以同样垂直地离开目标表面的流出速度从直接位于冷却板20目标表面上方的腔35移除废弃的冷却流体。在这么做时，排出口36从管道的底表面吸入废流体并且在管道30的顶表面移除废流体。可选地，可以向管道提供横向排出口流(未示出)用于移除整个排出口流的一小部分，其对于清洗组件和/或对于移除任何不期望的残留物、泡沫或其他无关材料来说可能特别有用。
在图2A-2B的热冷却组件中，冷却板20具有基本平坦的表面区域。在这个组件中，由于流体是从微喷嘴34喷射到平坦的冷却板20的目标表面上，所以其对表面的冲击创建了具有高压的滞止区，在该区域中流体的方向从相对于被冲击表面的垂直方向改变成水平方向，从而创建了一个薄的壁喷嘴。在该壁喷嘴中，流体的速度在流体直接冲击目标表面的位置的外围上的边界层上是最高的。由于流体从这个位置散开或展开，所以流体速度不断地下降，因为给定流动速率的流体找到增大的流动面积去流经。与壁喷嘴速度矢量相垂直的这个区域与到喷嘴中心线的距离成比例地增加。因为热边界层的厚度也在增加，所以离冲击地点越远，流体速度就越低，并且局部热转移速率就越低。因此，尽管在直接位于流体喷嘴下方的被冲击区域上热转移速率非常高，但是离开喷嘴中心线后这种热转移速率呈指数衰减。由增大的流动面积和壁摩擦的组合所导致的这种热转移速率的指数衰减开始于离开喷嘴中心大约0.75到1.0个喷嘴直径的位置处。
尽管与传统的技术相比图1A-2B中的实施例提供了优异的冷却能力，但是已经发现，通过提供改进的在其目标表面区域上具有预定的特别布置的表面特性的冷却板20’，甚至可使组件在给定最大工作压力下的的冷却能力进一步最大化。这些预定的表面特性在流体喷嘴冲击改进的冷却板20’目标表面的位置处维持流体速度。通过维持流体速度，这种流体速度的衰减被延缓，其反过来最终增强整个热冷却组件的冷却能力。同样，表面特性增大了冷却板20’与所喷射的流体相碰撞的表面区域，其通过增加冷却速率也增强了冷却能力。在图3中示出了这种组件。例如，改进的具有预定的特别布置的表面特性的冷却板20’可能具有比平坦的冷却板20目标表面组件的冷却能力高大约2倍或者甚至3倍的最大化的冷却能力。
在本发明的一个方面，该改进的冷却板是由单片初始板材料形成的。提供该初始板材料，并且接着在该初始板表面上方提供预定的图案。该初始板优选地是硅基板。在板表面上方提供的该预定的图案与要在得到的冷却板20’上形成的想要的表面特性图案相关联。使用传统的光刻技术，将图案蚀刻入初始板中足够形成想要的表面特性的深度，以便使热冷却组件的冷却能力最大化。照这样，得到的冷却板是整体的单片结构。
例如，如果初始板大约700微米厚，则将图案蚀刻入初始板的深度可以是从大约100微米至大约200微米，或者更深，只要蚀刻深度加上连接装置25的厚度近似地与想要的缝隙高度相匹配。应当意识到，取决于最初的初始板基板厚度和得到的改进的冷却板20’的最终用途(也即，用于冷却/加热半导体部件的热需求)，预定的表面特性可以形成为初始基板内的各种深度。这些深度也取决于许多热控制处理条件，其包括但是不限于：从微喷嘴出口到表面特性内的目标表面24的距离、所喷射的流体压力、被冷却设备的加热/冷却需求，等等。
在另一方面，该改进的冷却板可以是两片结构。在本发明的这种实施例中，可以提供具有想要的厚度的初始板层，并且接着在位于初始板层上方的热传导第二层中形成表面特性。该初始板层和第二层可以是相同的材料或者它们可以是具有一致的热膨胀系数的不同材料。例如，热传导的初始板和第二层可以包括但是不限于：硅层、氮化铝层、碳化硅层、金属复合物层，等等。
可以直接在初始板层上方提供热传导第二层，随后在第二层上方提供与要在第二层中形成的想要的表面特性图案相关联的预定的图案。将该图案蚀刻入第二层，其深度足够形成想要的表面特性。作为选择，可以在将第二层连接到该板层之前，优先地在第二层中形成这些想要的表面特性。一旦形成构图的第二层，则接着将它连接到板层以形成得到的改进的冷却板20。同样，取决于最初的初始板基板和第二板厚度，以及得到的改进的冷却板20’的最终用途(也即用于冷却/加热半导体部件的热需求)，预定的表面特性可以形成为各种高度。这些高度还取决于许多热控制处理条件，其包括但是不限于：从微喷嘴出口到表面特性内的目标表面24的距离、所喷射的流体压力、被冷却设备的加热/冷却需求，等等。
在本发明的单片组件或者本发明的两片组件中，以下至关重要：在冷却板20’的这样的位置处形成或提供预定的表面特性，以致该表面特性不毁坏流体喷嘴下的流体热边界层，同时增加流体-壁的热交换效率。这么做时，在腔的壁喷嘴区中，表面特性延缓流体速度的衰减。可以在冷却板表面形成各种不同的表面特性图案，只要每个表面特性图案增加冷却组件的热性能而不会带来压降的同比例增加。尽管可能存在与该改进的冷却板20’相关联的最小压降，但是由于该改进的冷却板20’的附加的表面区域的原因这种压降即便有也是不显著的，其保持冷却板目标表面上方的流体循环路径。尽管该附加的表面区域与表面特性图案的高度成比例，由此引起热性能的增加，但是这个附加的面积也增加了腔35内的压降。具有最小压降增大的优化设计需要一表面特性高度，其是表面特性平面图案的函数，因为如果这些图案中的一些图案垂直方向的尺寸具有整个缝隙高度则它们将不能正常工作。如果根据规定的压降预算100％高度不可行，则优选的表面特性图案设计具有的图案高度将大于缝隙高度的30％但小于缝隙高度的80％。
参考图4A-4B，初始基板可以在基板表面上提供有许多预定的圆形腔21’的表面特性。在对应着各个冷却网眼32的位置处形成每个圆形腔21’，以致给冷却板基板提供与位于热管道30中的冷却网眼32的数量相同的圆形腔21’。通过使用分布的排出口网络以及管道的微喷嘴阵列的设计参数，在冷却板基板中形成圆形腔21’，以致当将管道30连接到改进的冷却板20’时，每个冷却网眼32与单个圆形腔21’对准。圆形腔21’基本上位于冷却网眼32的中央，冷却网眼32的单个微喷嘴34基本上位于圆形腔21’的中央。
工作中，流体从微喷嘴34喷射并且直接冲击圆形腔21’内的冷却板表面24’。当冲击时，流体在圆形腔21’内循环，以致在流体冲击圆形腔21’内的冷却板表面24’的位置处流体热边界层和流体速度基本上被维持住，随着壁喷嘴的发展将带来随后的热边界层膨胀，并且接着通过流体速度方向的突然改变，其在垂直壁的底部处再次减小，该垂直壁限定了圆形腔21’。由于流体移动出腔的侧壁，所以垂直于壁喷射速度矢量的面积没有任何进一步的膨胀；因此，壁喷嘴衰减不再因流动面积的改变而加速，因此比在平板的情况下维持了有利的较高的热转移速率。该向上的流体流也增强了由输入流体喷嘴所创建的流体循环。有利地，在表面特性中维持流体循环使组件中的任何压降增加最小化，同时增加流体的混合并促进与被加热表面的热交换。随着流体被不断地喷射，流体涡流在圆形腔21’内形成，其向上伸展超过改进的供进一步冷却用的冷却板20’的顶表面22’，并且最终由排出口36从组件中排尽。圆形腔21’的表面特性给冷却板20’增加了表面区域，并且同样地，增加的表面区域结合在流体冲击的位置处所维持的流体速度极大地增加热转移系数以使热性能最大化，同时控制了热冷却组件内的热通量分布。
作为一种可供选择的方法，圆形腔21’可形成为带有向内凸出的翼片23’，如在图5A-5B中所示。使用传统的光刻技术，通过构图并且用这种图案来蚀刻初始基板，可以形成冷却板主体的这些带有向内凸出的翼片23’的圆形腔21’。翼片23’伸进圆形腔21’中的量足够用来维持圆形腔内的流体循环，而且同时增加了与流体流相冲击的暴露的冷却板20’的表面区域，以进一步增加组件的热转移系数。优选地，翼片23’不位于流体将冲击冷却板表面24’的位置。例如，翼片23’向圆形腔21’内的伸展离冲击流体将冲击冷却板表面24’的圆周的距离可以高达大约1/2的微喷嘴34直径。就是说，在微喷嘴34具有可测量的直径的情况下，翼片23’向圆形腔21’的伸展离圆形腔21’中央的距离可以近似1整个喷嘴直径，该圆形腔21’中央也是流体将冲击冷却板表面的中央位置。这么做时，具有翼片的圆形腔内的流体循环不会被毁坏，以致组件内的任何压降被保持在最小。另外，可以用下述方式来裁剪翼片23’：使与壁喷嘴速度矢量相垂直的面积近似保持恒定并且与靠近翼片前沿(相对于壁喷嘴流矢量)的面积相等，从而再次延缓壁喷嘴在热转移速率方面的指数衰减，并且保持喷嘴周围的流体循环图案。因此，翼片23’促进热的表面与流体涡流之间的额外的热转移，因为流体涡流的高速部分流经翼片所包围的体积。
参考图6A-6B，示出了本发明的另一种改进的冷却板20’，其具有预定的只有多个构图的翼片结构23’的表面特性。同样，使用公知的光刻技术在初始基板内形成这些翼片结构23’，以提供本发明的改进的冷却板20’。翼片23’优选地不伸进流体的冲击喷嘴流将冲击冷却板表面24’的位置，并且因此不会毁坏流体喷嘴下的流体热边界层。优选地，翼片图案中的每个翼片23’距离冷却网眼32的中央(其也是流体将冲击的改进的冷却板20’的表面24’的位置的中央)至少0.75个微喷嘴直径。此外，如果翼片间的间隔使流动面积近似地保持恒定为到喷嘴中央的距离的函数，则翼片的设计外形是最优的。就像圆形腔实施例中的那样，翼片图案维持在流体喷嘴冲击目标表面24’的位置处的流体速度而不会带来压降的相同比例的增加，以便由此增强热冷却组件的冷却能力。仅翼片23’的表面特性甚至进一步增加了冷却板20’的暴露的表面区域，由此与那些具有圆形腔21’的实施例相比使组件内的热转移能力进一步最大化。
一旦本发明的改进的冷却板20’已经被制成，则将冷却板20’永久地或者非永久地连接到管道30以形成单个管道-冷却器组件。就是说，改进的冷却板20’是流分布系统的组成部分。冷却板20’可以在其所有边沿处连接到热管道30以形成完全封装的管道-冷却器组件，或者作为选择，在连接组件中可以保留开口或缝隙用于在组件内引进其他处理线。管道-冷却器组件接着经由连接装置15连接到发热部件10(例如半导体芯片)，以便监视并控制发热部件10的热条件。
因此，该具有改进的冷却板的热组件同时使热系统的可靠性和热性能得到最大化。例如，下面的图表说明多个具有本发明的各种预定的表面特性的不同的改进的冷却板(也即网眼设计A至J3)的热性能，这些冷却板在这种流体冲击冷却板表面上方与管道的冷却网眼相关联的表面特性区的中央处的区域上方维持所喷射的喷射流体，以增强组件的冷却能力。取决于预定的表面特性，这些设计还具有各种暴露给所喷射流体的冷却板表面区域的量。下面的图表还示出具有平坦表面的平坦参考冷却板(“Ref-1和Ref-2”)的热性能。
网眼设计 图案 特征高度 Vjet   喷嘴-喷嘴的间距 heq
  微米   m/s   微米   W/cm2K
  Ref-1   图1A   无   2.0   435   5.6
  Ref-2   图1A   无   3.0   250   12.5
A 图4A 80 3.0 250 19.2
  B   图5A   80   3.0   250   20.0
  C   图6A   80   3.0   250   23.8
  F1   图6A   120   3.0   250   31.3
  F2   图6A   120   4.0   250   35.8
  G   图6A   60   4.0   250   52.1
  H   图6A   80   4.0   250   47.8
  J1   图6A   50   3.0   200   46.6
  J2   图6A   50   4.0   200   55.1
  J3   图6A   50   5.0   200   62.3
在上面的表中，术语Vjet被称作平均喷射速度，并且术语heq是使用平板的标称面积作为参考的等效热转移系数。
如上所述，本发明的其表面上具有表面特性的冷却板可以具有最大化的热转移系数和冷却能力，可以达到比平坦参考冷却板的热转移系数和冷却能力高大约5倍，而同时实现如图7的绘图中所示的最小压降，同时相对于在诸如Ref-1和Ref-2设计之类的具有平坦表面的冷却器中的压降，优选地保持压降增加低于10kPa到15kPa。所介绍的热组件可适于对标准IC产品进行超过大约400W/cm2的冷却，并且可适于对薄IC提供大于大约850W/cm2的冷却。
例子
为了测试本发明的分布系统，测试了多个具有改进的带有表面特性的冷却板的热组件并且将其与具有带平坦表面区域的冷却板的组件作比较。所有测试的组件包括200um厚的硅基，其带有入口/出口直径大约为70um的250um×250um的冷却网眼尺寸。用水作为冷却流体，其具有3m/s的微喷嘴速度并且入口温度是大约20℃。基底的通量是大约1000W/cm2，而冷却板与管道的入口/出口阵列之间的缝隙大约为150um。使用所计算的对流系数，在具有45℃的热预算的整个0.4mm硅厚度(芯片+基板)以及具有k＝3W/mK的5μm的TIM上估计参考冷却能力(“q-ref”)。
下面示出这些组件的热性能，由此网眼类型包括具有平坦冷却板表面的参考网眼(“Ref-2”)、具有第一表面特性图案(例如，图4A-B的圆形腔图案)的第一网眼(“Cell 1”)、具有第二表面特性图案(例如，图5A-B的带有翼片图案的圆形腔)的第二网眼(“Cell 2”)、和具有第三表面特性图案(例如，图6A-B的翼片图案)的第三网眼(“Cell 3”)。如所示范的那样，取决于预定的表面特性的配置，以及在本改进的冷却板中暴露给所喷射流体的冷却板表面区域(例如，在网眼3中)越大，则组件的热转移系数和冷却能力就越高和越好，同时能够实现较低的工作温度和最小压降。
  网眼设计   Ref-2   Cell1   Cell2   Cell3
  h(W/m2K)   125,000   192,000   200,000   466,000
  q-ref(W/cm2)   400   532   546   858
  Tmax.-Tmin.(℃)   95   67   65   33
  喷嘴dP(kPa)   18.2   20.3   20.2   19.8
尽管使用水作为冷却流体来完成上面的例子，但是应当意识到并理解，在所介绍的热组件中可以使用各种其他公知的冷却材料。对于高热转移速率而言流体是优选的，因为基本上流体具有比气体高的热转移系数。然而，在本管道中也可采用液体金属和气体来冷却发热部件的表面。
应当理解并意识到，当加热/冷却多个热设备时，可以使用所介绍的单个具有各种预定的表面特性的改进的冷却板或者使用具有对应的预定的表面特性的多个改进的冷却板来作为需要进行热控制的设备。可以在整个目标表面区域上以连续相同的方式加热和/或冷却所介绍的改进的冷却板的目标表面区域，或者作为选择，可以对其进行不均匀加热和/或冷却。在对目标表面区域进行不均匀加热和/或冷却的情况下，改进的冷却板的表面特性可以被设计并配置成：基于包括但是不限于分层、材料、尺度、参数等等的各种表面特性，以不同的速率且在不同的处理条件下冷却、加热或同时冷却和加热目标表面的不同面积。这样，可向改进的冷却板提供各种不同的用于加热/冷却多个不同类型的热部件的表面图案，或者在连接到该改进的冷却板的热部件上提供不同的表面特性。例如，本发明的这种改进的冷却板对于冷却和/或加热多芯片模块而言是理想的。
尽管已经结合具体的优选实施例特别地描述了本发明，但是显然，根据前面的描述，对于本领域的普通技术人员而言许多备选方案、修改和变型是显而易见的。由此认为所附的权利要求书将包括属于本发明的真正范围和精髓中的所有这种备选方案、修改和变型。

Claims (20)

1.一种热分布组件，其包括：
一板，在其暴露的表面区域上具有预定的表面特性；
连接到所述板的管道，所述管道具有至少一个微喷嘴阵列和至少一个分布的排出口阵列；
位于所述管道和所述暴露的表面区域之间的腔；
由此所述微喷嘴阵列喷射流体，并且在所述腔的壁喷嘴区内，所述板的所述表面特性延缓所述流体的速度衰减，以便增强对所述组件的热控制。
2.根据权利要求1所述的组件，其中所述板和所述表面特性包括相同的材料。
3.根据权利要求1所述的组件，其中所述板和所述表面特性包括具有一致的热膨胀系数的不同材料。
4.根据权利要求1所述的组件，其还包括发热部件，其连接到所述板，以便控制所述发热部件的温度。
5.根据权利要求1所述的组件，其中所述表面特性的表面区域的增大增加了对所述组件的所述热控制。
6.根据权利要求1所述的组件，其中所述表面特性位于所述板的所述表面上这样的位置，以致所述表面特性保持将由所述微喷嘴创建的流体涡流在所述腔内。
7.根据权利要求1所述的组件，其在所述管道内还包括多个网眼，其中每个网眼包括基本上位于其中央的微喷嘴，由此所述表面特性具有对应于所述多个网眼的配置以致所述表面特性不干扰从所述微喷嘴阵列所喷射的所述流体。
8.根据权利要求7所述的组件，其中所述表面特性包括多个圆形腔，所述圆形腔中的每个圆形腔与单个网眼对准。
9.根据权利要求8所述的组件，其中所述多个圆形腔还包括向内凸出的翼片。
10.根据权利要求7所述的组件，其中所述表面特性包括多个翼片图案，所述翼片图案中的每个翼片距离单个网眼的中央至少0.75个微喷嘴直径。
11.根据权利要求1所述的组件，其中所述表面特性具有范围从缝隙高度的大约30％至大约80％的图案高度，所述缝隙高度是所述腔中直接位于所述微喷嘴下的最大高度。
12.一种用于热转移的系统，其包括：
具有第一表面和第二表面的板，所述第二表面具有位于其上的表面特性；
被连接到所述板的所述第一表面的、需要调节温度的基板；
被连接到所述板的所述第二表面的管道，所述管道具有微喷嘴阵列和至少一个分布的排出口阵列；
位于所述管道与具有所述表面特性的所述板的所述第二表面之间的腔；
由此所述微喷嘴将流体喷射入所述腔中用于接触所述板的所述第二表面，同时所述板的所述第二表面上的所述表面特性延缓所述流体的速度衰减，以便对所述基板的所述温度进行热控制。
13.一种用于热控制的方法，其包括：
提供一个板；
在所述板的表面上提供表面特性；
提供一种具有微喷嘴阵列和至少一个分布的排出口阵列的管道；
通过将所述板的所述表面连接到所述管道使得所述表面特性避免与所述微喷嘴对准而构成一种组件；
从所述微喷嘴阵列喷射流体；
在由所述表面特性所包围的表面区域的位置处让所述流体与所述板接触，由此所述表面特性延缓所述流体的速度衰减，以便增强对所述组件的热控制；以及
经由所述至少一个分布的排出口阵列移除废弃的所述流体。
14.根据权利要求13所述的方法，其中在初始板材料中形成所述表面特性，以致所述板和所述表面特性包括单片结构。
15.根据权利要求13所述的方法，其中在所述板的表面上提供所述表面特性，所述板和所述表面特性包括具有一致的热膨胀系数的材料。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述板的所述暴露的表面区域上布有各种不同的表面特性，以便使用所述流体来控制所述板表面上的各种不同的温度。
17.根据权利要求13所述的方法，其在所述管道内还包括多个网眼，每个网眼包括基本上位于其中央处的微喷嘴，由此所述表面特性具有对应于所述多个网眼的配置以致所述表面特性不干扰从所述微喷嘴阵列所喷射的所述流体。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述表面特性包括多个圆形腔，所述圆形腔中的每个圆形腔与单个网眼对准。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述多个圆形腔还包括向内凸出的翼片。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述表面特性包括多个翼片图案，所述翼片图案中的每个翼片距离单个网眼的中央至少0.75个微喷嘴直径。
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