CN101814470B - 用于电子封装器件的微通道热沉 - Google Patents

Abstract

用于电子封装器件的微通道热沉，属于微型电子器件的散热装置，解决现有微通道热沉，进出口压降大、温度场不均匀或者结构复杂、对加工工艺要求高的问题，以达到更高散热热流密度。本发明由微通道模块、微泵和储液箱依次通过管道连接构成回路；或者由微通道模块、微泵和微型翅片依次通过管道连接构成回路，微型翅片上方装有风扇；所述微通道模块上表面具有均匀分布的圆弧形肋片，所述圆弧形肋片分成两类，两类圆弧形肋片相间分布，两类圆弧形肋片之间重叠角度为10°～30°。本发明结构和制造工艺简单，安装方便，液体工作介质回流效率高，散热效率高，进出口压降小，温度场有很高的均匀性，适用于高热流电子封装器件散热。

Description

用于电子封装器件的微通道热沉

技术领域

本发明属于微型电子器件的散热装置，用于高热流电子封装器件散热。

背景技术

近年来，随着信息产业的迅速发展，晶体管集成度大大提高，现有的电子器件向着更小、更高速、更大功率密度方向发展，这些都意味着更大的热流密度，因而电子元器件的散热问题已经成为制约相关产业发展的瓶颈。电子器件的散热问题如果没有解决好，其工作温度将非常高，高温将直接导致系统效率下降，工作失稳，寿命下降，材料热损坏甚至烧毁等等诸多问题。因此，电子器件的散热技术成为了电子封装技术的一个重要分支，国内外对于电子器件的散热研究给予了相当的重视，并形成了电子、机械、传热、材料等的新型交叉学科。

目前，对大功率电子元器件或大规模集成电路的冷却主要有两种方式：一种是基于散热翅片的强制风冷技术，这种技术的主要缺陷是：产生附加风扇的功耗，还会产生噪声，而且翅片的面积比较大，体积大，造成材料浪费严重，散热效率不高。另外一种是基于泵驱动的液冷方式，比如微通道冷却方式，但是这种方式的散热效率与其内部结构有密切联系。传统微通道有两个比较严重的问题，一是冷媒进出微通道的压降大，二是流体沿微通道温度分布不均匀。现有的微通道，如Tuckerman和Pease首先提出了硅平行微通道热沉，见D.B.Tuckerman，and R.F.W.Pease，“High performance heat-sinking for VLSI”，IEEE Electronic Device Letter，vol.2，pp.126-129，1981，这种微通道热沉压降较大、温度分布不均匀，因此容易造成电子设备运行的稳定性和可靠性问题。D.V.Pence，Improved thermal efficiency and temperatureuniformity using fractallike branching channel networks，in：Proceedingsof the International Conference on Heat Transfer and Transport Phenomenain Micro Scale，Banff，Canada，2000，142-148；以及Y.P.Chen，P.Cheng，Heat transfer and pressure drop in fractal tree-like microchannel nets，Int.J.Heat Mass Transfer 45(13)(2002)2643-2648.均提出树形微通道热沉，树形微通道热沉冷却效率比较高，但是其结构复杂，对加工工艺要求太高，以致成本很大。

发明内容

本发明提供一种用于电子封装器件的微通道热沉，解决现有微通道热沉，进出口压降大、温度场不均匀或者结构复杂、对加工工艺要求高的问题，以达到更高散热热流密度。

本发明的一种用于电子封装器件的微通道热沉，由微通道模块、微泵和储液箱依次通过管道连接构成回路，其特征在于：

所述微通道模块为矩形金属材料，其上表面具有均匀分布的圆弧形肋片，所述圆弧形肋片高度比微通道模块高度低1～2mm，具有60°～90°的圆心角，分成两类，两类圆弧形肋片相间分布，每一类沿半径方向在圆周上均匀排列3～4组，第一类圆弧形肋片每组排列N层，第二类圆弧形肋片每组排列N+1层，两类圆弧形肋片之间重叠角度为10°～30°，N＝8～15；

所述微通道模块上，与最外层两类圆弧形肋片形成的圆形通道相切，具有2～6个进口孔道；最内层两类圆弧形肋片形成的圆形中心开有出口孔道；

所述微通道模块上，最外层圆弧形肋片之外，具有一圈圆形密封槽道。

本发明的另一种用于电子封装器件的微通道热沉，由微通道模块、微泵和微型翅片依次通过管道连接构成回路，微型翅片上方装有风扇，其特征在于：

所述微通道模块为矩形金属材料，其上表面具有均匀分布的圆弧形肋片，所述圆弧形肋片高度比微通道模块高度低1～2mm，具有60°～90°的圆心角，分成两类，两类圆弧形肋片相间分布，每一类沿半径方向在圆周上均匀排列3～4组，第一类圆弧形肋片每组排列N层，第二类圆弧形肋片每组排列N+1层，两类圆弧形肋片之间重叠角度为10°～30°，N＝8～15；

所述微通道模块上，与最外层两类圆弧形肋片形成的圆形通道相切，具有2～6个进口孔道；最内层两类圆弧形肋片形成的圆形中心开有出口孔道；

所述微通道模块上，最外层圆弧形肋片之外，具有一圈圆形密封槽道。

所述的微通道热沉，其特征在于：

所述圆弧形肋片截面形状为矩形、梯形或者三角形。

所述的微通道模块采用数控加工等方法加工，微通道模块和圆弧形肋片的材料选用导热性能良好而不与液体工作介质发生反应、物性稳定的金属或合金材料，例如无氧铜、镀银紫铜等。

液体工作介质经进口孔道流入微通道模块最外围圆形通道，然后在圆弧形肋片形成的圆形通道的毛细力的作用下，沿着一层一层的圆形通道流到出口孔道，在这个过程中，液体工质吸收来自电子封装器件散发的热量，温度上升，从出口孔道沿回流管道进入储液箱或者微型翅片冷却，然后又在微泵的作用下进入下一轮循环。由于两类相邻的圆弧形肋片具有一定的重叠角度，且重叠部分间距是非重叠部分的一半，液体工作介质每经过一次重叠部分，就被分为两部分，这样就充分利用了流道特点，增强了液体工作介质的吸热能力，提高了微通道热沉的散热效率。此外，由于圆弧形肋片很薄且厚度均匀，相邻流道的流体还可以相互交换热量，这也有助于使电子封装器件的温度场均匀化和提高微通道模块的散热效率。微通道模块的出口孔道布置在热沉中心，充分利用重力，加速回流，提高液体工作介质回流效率；微通道模块上表面的圆形密封槽道，起密封作用。

本发明结构和制造工艺简单，安装方便，液体工作介质回流效率高，散热效率高，进出口压降小，温度场有很高的均匀性，适用于高热流电子封装器件散热。

附图说明

图1是本发明的第一个实施例组成示意图；

图2是本发明的第二个实施例组成示意图；

图3是本发明的微通道模块的俯视图；

图4是本发明的微通道模块的主视图；

图5是本发明另一种圆弧形肋片的微通道的主视图；

图6是本发明的圆弧形肋片排列结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的进一步说明。

实施例1

如图1所示，本发明由微通道模块2、微泵6和储液箱5依次通过管道连接构成回路，微通道模块2放在被冷却电子封装器件1的底部，对高热流的电子封装器件进行散热，被冷却电子封装器件1可以是大功率电子元器件或集成电路板等高热流的电子封装器件；液体工作介质在微泵6的驱动下，从微通道模块的进口3进入微通道模块，经过微通道内部各层圆形通道，温度升高，最后从微通道模块底部中心处的出口4沿回流管道进入储液箱5与其他液体互相混合降温。液体工作介质从储液箱5流出，经过微泵6后又进入微通道模块2进行电子封装器件1的冷却过程，如此循环往复，达到冷却电子器件的目的。

储液箱内部可以安装散热板，利于内部液体交换热量。

实施例2

如图2所示，本发明的另一种微通道热沉，由微通道模块2、微泵6和微型翅片7依次通过管道连接构成回路，微型翅片上方装有风扇8，微通道模块2放在被冷却电子封装器件1的底部，采用微型翅片7来冷却从微通道模块出口流出的温度比较高的液体工作介质，如果采用微型翅片7自然对流的冷却效果不好，可以采用一个风扇8来强制风冷。

被冷却电子封装器件为裸芯片、芯片组、封装芯片或封装电路，通过连接焊柱与基座安装在一起；或芯片带有热扩散柱、热扩散球或由高导热材料构成的卡环，与基座安装在一起。

液体工作介质采用高沸点、高比热的液体或液态金属，如去离子水等。

实施例2的方案较实施例1的好处是不需要太多的液体工作介质，节省费用，而且系统结构简单美观，可以集成封装，不需要体积庞大的储液箱。

图3、图4、图5所示为本发明的微通道模块，微通道模块高度0.6cm，其上表面具有均匀分布的圆弧形肋片14，所述圆弧形肋片高度比微通道模块高度低1mm，具有80°的圆心角，分成两类，两类圆弧形肋片相间分布，每一类沿半径方向在圆周上均匀排列3组，第一类圆弧形肋片每组排列11层，第二类圆弧形肋片每组排列12层，两类圆弧形肋片之间重叠角度为20°，

所述微通道模块上，与最外层两类圆弧形肋片形成的圆形通道相切，具有右上进口孔道9、左上进口孔道10、左下进口孔道11、右下进口孔道12共4个进口孔道；最内层两类圆弧形肋片形成的圆形中心开有出口孔道4，出口孔道半径0.75cm；

所述微通道模块上，最外层圆弧形肋片之外，具有一圈圆形密封槽道13，可以方便使用“O”型密封圈与外界连接，这种连接方式装配方便，易于实现模块的拼接，可以推广到应用与任何要求快速散热的部件。

微通道模块四周有8个螺纹孔15，可以很方便地与高热流电子封装器件1进行密封安装和固定。

图4和图5是微通道模块的两种结构的主视图，其主要区别在于图4所示微通道模块内部的圆弧形肋片14截面形状是矩形，图5所示微通道模块内部的圆弧形肋片14截面形状是梯形。

如图6所示，微通道模块内部的两类圆弧形肋片具有80°的圆心角，肋片厚度0.1cm、肋片间距0.2cm，两类圆弧形肋片之间重叠角度为20°，重叠部分的相邻的圆弧形肋片的间距是非重叠部分的肋片间距的一半，为0.1cm。

根据上述微通道模块和圆弧形肋片的设计参数，入口压力5565Pa，出口压力4730Pa，最高温度319K，最低温度306K，温差13K，进出口压降小，温度场有很高的均匀性。

Claims (3)

1.一种用于电子封装器件的微通道热沉，由微通道模块、微泵和储液箱依次通过管道连接构成回路，其特征在于：

所述微通道模块为矩形金属材料，其上表面具有均匀分布的圆弧形肋片，所述圆弧形肋片高度比微通道模块高度低1～2mm，具有60°～90°的圆心角，分成两类，两类圆弧形肋片相间分布，每一类沿半径方向在圆周上均匀排列3～4组，第一类圆弧形肋片每组排列N层，第二类圆弧形肋片每组排列N+1层，两类圆弧形肋片之间重叠角度为10°～30°，N＝8～15；

所述微通道模块上，与最外层两类圆弧形肋片形成的圆形通道相切，具有2～6个进口孔道；最内层两类圆弧形肋片形成的圆形中心开有出口孔道；

所述微通道模块上，最外层圆弧形肋片之外，具有一圈圆形密封槽道。

2.另一种用于电子封装器件的微通道热沉，由微通道模块、微泵和微型翅片依次通过管道连接构成回路，微型翅片上方装有风扇，其特征在于：

所述微通道模块为矩形金属材料，其上表面具有均匀分布的圆弧形肋片，所述圆弧形肋片高度比微通道模块高度低1～2mm，具有60°～90°的圆心角，分成两类，两类圆弧形肋片相间分布，每一类沿半径方向在圆周上均匀排列3～4组，第一类圆弧形肋片每组排列N层，第二类圆弧形肋片每组排列N+1层，两类圆弧形肋片之间重叠角度为10°～30°，N＝8～15；

所述微通道模块上，与最外层两类圆弧形肋片形成的圆形通道相切，具有2～6个进口孔道；最内层两类圆弧形肋片形成的圆形中心开有出口孔道；

所述微通道模块上，最外层圆弧形肋片之外，具有一圈圆形密封槽道。

3.如权利要求1或2所述的微通道热沉，其特征在于：

所述圆弧形肋片截面形状为矩形、梯形或者三角形。

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