CN103594430A - 用于功率电子器件散热的微通道散热器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于功率电子器件散热的微通道散热器，包括：上层盖板、散热器外壁、内部流道结构、散热工质、工质入口和工质出口，其中：所述上层盖板与待散热芯片相连，所述上层盖板与所述内部流道结构接触，待散热芯片的热量通过所述上层盖板及所述内部流道结构传到所述散热工质中，再通过所述散热工质带出；所述工质出口设置于所述散热器外壁的内侧；所述工质入口设置于偏心位置、远离所述工质出口位置一侧。本发明将温度最低的新鲜散热工质从温度最高的散热面中心区域导入散热器，有利于提高散热器的热交换效率；选择高热导率的金属材料构造微通道散热器，不但散热效率高，而且制造工艺成熟，易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及功率器件散热技术和高效热交换技术领域，具体地，涉及一种用于功率电子器件散热的微通道散热器。
背景技术
伴随着技术的飞速发展，电子器件的高密度和微型化成为趋势，尤其是对于高功率器件，散热成为了一个迫切需要解决的问题，由于器件的微型化，散热器的微型化也成为趋势，微流道由于其高表体积比具有卓越的散热性能而备受青睐。
现有的微通道散热器流体一般都是采用一边导入另一边导出的方式循环工作，普遍存在芯片温度分布沿冷却工质流动方向逐渐上升的规律，与芯片中心区域热量集中的分布规律并不对应。
经过对现有技术的检索发现，R.H.W.Pijnenburg等人在Solid-State Device Researchconference,2004.ESSDERC2004.Proceeding of the34th European，129-132上发表的文章“Integrated micro-channel cooling in silicon”中设计出平行排布的多个微流道，但是仍然存在温度分布不均匀的问题，入口的位置分布与热源分布不匹配，温度分布不均匀，不利于芯片的稳定工作。
Dorin Lelea在International Communications in Heat and Mass Transfer39(2012)190–195发表的文章“The tangential micro-heat sink with multiple fluid inlets”中设计出多入口的结构，虽然多入口和多出口有利于流体工质尽快排出并且有利于温度的均匀分布，但是多入口和多出口在微加工工艺上不易实现，作者在文章中没有给出完整的微散热器结构设计，也没有做出相应的散热器实体，所以在工艺实现上没有指导意义。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于功率电子器件散热的微通道散热器，该方案提出了将温度最低的新鲜冷却工质从热流密度最高的散热面中心区域导入散热器这一新颖理念，采取流体散热工质从中心区域导入并向四周流出的方式工作，并采用结构和形式多样的内部流道，提高了芯片温度分布的均匀性，同时提高其散热效率，从而提高工作的可靠性。
为实现以上目的，本发明提供一种用于功率电子器件散热的微通道散热器，包括：上层盖板、散热器外壁、内部流道结构、散热工质、工质入口和工质出口，其中：所述上层盖板与待散热芯片相连，所述上层盖板与所述内部流道结构接触，待散热芯片的热量通过所述上层盖板及所述内部流道结构传到所述散热工质中，再通过所述散热工质带出；所述工质出口设置于所述散热器一侧；所述工质入口设置在散热器散热面上且偏离散热器中心、远离所述工质出口的一侧。
正常没有散热装置的芯片温度最高的部位应该是中心区域（中心区域最不易热量散失），现在将温度最低的新鲜冷却工质从热流密度最高的散热面中心区域导入散热器有利于换热，又由于工质出口只有一个且在散热器一侧，所以工质入口的最佳位置应该位于热源中心并稍微偏离出口一侧，工质入口和散热器中心的距离为散热器中心与散热器边缘距离的1/2以内，工质出口位于散热器一角，工质入口位置所处象限和工质出口位置所处象限以散热器中心成中心对称，这样能使芯片整体的最高温度最低。
优选地，所述散热器外壁与所述内部流道结构之间设置有截面积比内部流道大的引流道，以利于改善工质的流动均匀性。
优选地，所述内部流道结构由多种结构和分布形式的扰流柱组成，所述扰流柱为长方体或圆柱体或正方体结构。
优选地，所述的散热器对于芯片阵列，可针对每个芯片分别设置一个入口，以增加换热。
优选地，所述散热工质为水或者氟利昂或者采用高热导率纳米材料的悬浮液如碳纳米管的悬浮液或者石墨烯的悬浮液。
优选地，所述上层盖板和所述内部流道结构由Cu、Al、Au、Zn、Ag或Ni材料中的一种或几种组合制成。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明针对一般芯片中心部位发热集中的规律，将温度最低的冷却液从中心区域导入，以强化对这一区域的冷却效果，而现有的微通道散热器流体冷却工质一般采用一边导入另一边导出的方式循环工作，普遍存在芯片温度分布沿冷却工质流动方向逐渐上升的规律，与芯片中心区域热量集中的分布规律并不对应，本发明所提出的新设计，一方面提出将温度最低的新鲜冷却工质从热流密度最高的散热面中心区域导入散热器这一新颖理念，另一方面内部微流道可采用多种结构和形式，并且上层盖板和腔体都采用高热导率材料，使得器件的温度分布最为均匀并最大限度地提高散热效率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为实施例1立体结构示意图；
图2为实施例1的俯视图；
图3为实施例1的侧视图；
图4为实施例2的立体结构示意图；
图5为实施例2的俯视图；
图6为实施例2的侧视图；
图7为实施例3的立体结构示意图；
图8为实施例3的俯视图；
图9为实施例3的侧视图。
图中：1为散热器外壁，2为内部流道结构，3为散热工质，4为工质入口，5为工质出口，6为上层盖板。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
如图1、图2、图3所示，本实施例提供一种用于功率电子器件散热的微通道散热器，包括：散热器外壁1、内部流道结构2、散热工质3、工质入口4、工质出口5和上层盖板6，其中：所述散热器外壁1与所述内部流道结构2之间设置有便于所述散热工质3的流出的引流道；所述工质出口5设置于所述引流道的一角；所述工质入口4设置于散热器散热面上且偏离散热面中心、远离所述工质出口5的一侧；待散热芯片与所述上层盖板6相连，其热量通过所述上层盖板6及与其相连的所述内部流道结构2传到散热工质3中，再通过所述散热工质3带出。
本实施例中，所述内部流道结构2为蜂窝状矩形柱结构的扰流柱，扰流柱之间形成微流道；所述扰流柱的横截面是边长为0.3mm的正方形，高度为0.5mm；所述扰流柱之间间距为0.2mm。
本实施例中，所述工质出口5的水力直径为0.7mm。
本实施例中，所述工质入口4的水力直径为0.7mm。
本实施例中，所述的散热器在四周设置有相对于内部流道较宽的流道引流便于介质的流出，引流道宽度为1mm。
本实施例中，所述散热器外壁1的厚度为0.5mm。
本实施例中，所述内部流道结构2由Cu制成。
本实施例中，所述上层盖板6由AlN制成，其厚度为0.5mm。
本实施例中，所述的散热器整体尺寸为10.3mm*10.3mm*1.5mm。
本实施例工作过程中，所述散热工质3从所述工质入口4进入所述内部流道结构2，经过由矩形柱型扰流柱形成的类似蜂窝状的微流道汇聚到所述引流道，最后由所述工质出口5流出；所述工质入口4位置的优化选择即采用将新鲜散热工质3从中心区域附近导入散热器并从四周流出，工质入口4和散热器中心之间的距离限定在散热器中心和散热器边缘（即散热器外壁）之间距离的1/2以内，以及所述内部流道结构2微流道的合理设计使得散热器的温度分布最为均匀且散热器整体散热效率最高，提高了工作的稳定性。
本实施例中，所述散热工质3采用去离子水，所述工质入口4的流速为1m/s，当热流密度为200W/cm2时，仿真结果芯片最高温度为352K，而将工质入口4设在与所述工质出口5所在同一对角线的另一角，则最高温度达到361K，超过芯片能够容忍的最高温度，所以本发明能够提高散热效率，满足实际需要。
实施例2
如图4、图5、图6所示，本实施例提供一种用于功率电子器件散热的微通道散热器，包括：散热器外壁1、内部流道结构2、散热工质3、工质入口4、工质出口5和上层盖板6，部件的连接与实施例1相同，工质入口4的位置稍有区别。
本实施例中，所述内部流道结构2为蜂窝状圆柱形结构的扰流柱，扰流柱之间形成微流道；所述扰流柱的半径0.3mm、高度0.5mm；所述扰流柱之间间距为0.2mm。
本实施例中，所述工质出口5的水力直径为0.7mm。
本实施例中，所述工质入口4的水力直径为0.7mm。
本实施例中，所述引流道宽度为1mm。
本实施例中，所述散热器外壁1的厚度为0.5mm。
本实施例中，所述内部流道结构2由Cu制成。
本实施例中，所上层盖板6由AlN制成，其厚度为0.5mm。
本实施例中，所述的散热器整体尺寸为9.8mm*9.8mm*1.5mm。
本实施例工作过程中，所述散热工质3从所述工质入口4进入所述内部流道结构2，经过由圆柱型扰流柱形成的类似蜂窝状的微流道汇聚到所述引流道，最后由所述工质出口5流出；所述工质入口4的位置的优化选择以及所述内部流道结构2微流道的合理设计使得散热器的温度分布最为均匀且散热器整体散热效率最高，提高了工作的稳定性。
本实施例中，所述散热工质3采用去离子水，所述工质入口4的流速为1m/s，当热流密度为200W/cm2时，仿真结果芯片最高温度为353K，满足实际需要。
实施例3
如图7、图8、图9所示，本实施例提供一种用于功率电子器件散热的微通道散热器，包括：散热器外壁1、内部流道结构2、散热工质3、工质入口4、工质出口5和上层盖板6，部件的连接与实施例1相同。
本实施例中，所述内部流道结构2为蜂窝状长方体结构扰流柱，扰流柱之间形成微流道；所述扰流柱的较窄边宽0.1mm、高0.5mm；所述扰流柱之间间距0.3mm或者0.5mm。
本实施例中，所述工质出口5的水力直径为0.8mm。
本实施例中，所述工质入口4的水力直径为0.8mm。
本实施例中，所述引流道宽度为1mm。
本实施例中，所述散热器外壁1的厚度为0.5mm。
本实施例中，所述内部流道结构2由Cu制成。
本实施例中，所述上层盖板6由AlN制成，其厚度为0.5mm。
本实施例中，所述散热器整体尺寸为10.2mm*10.2mm*1.5mm。
本实施例工作过程中，所述散热工质3从所述工质入口4进入所述内部流道结构2，经过由一系列长方体型扰流柱构成的内部微流道引流汇聚到所述引流道，最后由所述工质出口5流出；所述工质入口4位置的优化选择以及所述内部流道结构2微流道的合理设计使得散热器的温度分布最为均匀且整体散热效率最高，提高了工作的稳定性。
本实施例中，所述散热工质3采用去离子水，所述工质入口4的流速为1m/s，当热流密度为200W/cm2时，仿真结果芯片最高温度为347K，满足实际需要。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (7)
1.一种用于功率电子器件散热的微通道散热器，其特征在于，包括：上层盖板、散热器外壁、内部流道结构、散热工质、工质入口和工质出口，其中：所述上层盖板与待散热芯片相连，所述上层盖板与所述内部流道结构接触，待散热芯片的热量通过所述上层盖板及所述内部流道结构传到所述散热工质中，再通过所述散热工质带出；所述工质出口设置于所述散热器的一侧；所述工质入口设置在散热器散热面上且偏离散热器中心、远离所述工质出口的一侧。
2.根据权利要求1所述的一种用于功率电子器件散热的微通道散热器，其特征在于，所述工质入口和散热器中心的距离为散热器中心与散热器边缘距离的1/2以内，所述工质出口位于散热器一角，所述工质入口位置所处象限和所述工质出口位置所处象限以散热器中心成中心对称，这样能使芯片整体的最高温度最低。
3.根据权利要求1所述的一种用于功率电子器件散热的微通道散热器，其特征在于，所述散热器外壁与所述内部流道结构之间设置有截面积比所述内部流道大的引流道。
4.根据权利要求1所述的一种用于功率电子器件散热的微通道散热器，其特征在于，所述内部流道结构由多种结构和分布形式的扰流柱组成，所述扰流柱为长方体或圆柱体或正方体结构。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种用于功率电子器件散热的微通道散热器，其特征在于，所述散热器针对芯片阵列分别设置所述工质入口。
6.根据权利要求1-4任一项所述的一种用于功率电子器件散热的微通道散热器，其特征在于，所述散热工质为水或者氟利昂或者碳纳米管的悬浮液或者石墨烯的悬浮液。
7.根据权利要求1-4任一项所述的一种用于功率电子器件散热的微通道散热器，其特征在于，所述上层盖板和所述内部流道结构由Cu、Al、Au、Zn、Ag或Ni材料的一种或几种组合制成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |