CN104051952B - 一种内微通道冷却热沉 - Google Patents

Abstract

一种内微通道冷却热沉，涉及半导体激光器及列阵器件，大规模集成的电路的散热结构领域，其主旨在于克服现有热沉的换热效率低，并提高降低热阻，减小压降。其包括由上至下依次设置的出水层、分水层和进水层，进水层上设置有进水孔，进水孔连接有进水通道，分水层上设置有反水孔，出水层上设置有出水孔，出水孔连接有出水通道，所述进水通道与出水通道通过反水孔连接，其特征在于：所述进水通道的口径沿进水孔到反水孔方向减小，所述出水通道的口径沿反水孔到出水孔方向减小。

Description

一种内微通道冷却热沉

技术领域

本发明设计半导体激光器及列阵器件，大规模集成的电路等散热冷却器件的一种内微通道冷却热沉，属于半导体光电子技术领域。

背景技术

内微通道冷却热沉是一种模块式微通道致冷器(Modular Microchannel CooledHeatsinks,简称 MCC)。列阵的发展与这一有效的低热阻热沉的出现有密切的关系，特别是高占空比甚至 CW 运行的全填充激光二极管列阵。MCC 是在硅中借助各向异性化学腐蚀制得的，可以像积木一样按二极管列阵的设计需要搭接大的二维结构。MCC 的低热阻是依赖液体致冷剂和它通过 MCC 的层流(Laminar Flow)，其良好的热控制性能十分适合平均功率大的泵浦固体激光器的二极管列阵，因为吸收波长狭窄的线宽(<3nm)要求对列阵进行严格的温度调制。

二十世纪八十年代，美国学者Tuckerman 和 Pease首先提出了平行微通道热沉（Microchannel Heatsink ，MCHS），从理论上证明出了水冷却微通道可达1000 W/ cm2的散热能力。其加工方法是：在集成电路硅衬底的背面采取化学方法腐蚀出若干矩形沟槽，使用盖板耦合而构成封闭式的冷却剂通道，与外界密封连接从而形成为冷却剂回路。由器件产生的热通过联结层传导到热沉，而被微通道中的流动冷却剂带走以致达到对于集成电路芯片良好散热的目的。

该概念的提出为进一步降低热沉热阻奠定了理论基础，它的优点在于扩大固液之间的接触面积的同时，利用非常小的水流沟道宽度最大限度的减小了热边界层的厚度，因此大大提高了热传导效率，有源热沉设计的基本原理就是要尽可能的使热沉的热导率高，以便达到最好的散热效果，同时兼顾制造的可行性及制作成本等问题。

Vafai和Zhu提出了一个两层叠加逆流式微通道热沉结构,流体在上下两层矩形微通道内逆向流动,每一层内的流体和基板温升通过两层之间的导热得到相互补偿,降低了温度梯度"其数值研究结果显示层叠逆流结构基板流体温升较单层微通道结构有显著的减少,同时,需要消耗的泵功也得到明显的降低。wei和Joshi对多层微通道层叠结构进行了数值研究这种微通道结构设计以增加换热面积为目的,在给定换热量条件下,多层微通道结构所需的泵功或压降相对单层结构有显著的降低，在微小空间内泵功受限的环境下具有潜在的应用优势。日本的Skandakumaran等对比了单层和多层碳化硅微通道热沉性能实验数据和理论封闭解析解,结果发现多层微通道结构热沉的热阻较低如果提高热沉材料的导热系数,也可提升其换热性能在定流量的情况下增加微通道层数,虽然多层结构中每个通道内的流量有所减少,但总体压降还是得到明显的降低。由此可见热沉主要向着多层结构和微通道结构优化方向发展。

在传统的制造方法中，单片式微通道热沉由五层形态各异的薄片组合而成，激光bar 位于上盖层的前端，冷却液从入水口进入微通道层的微通道区，经过导水层的狭缝再次进入微通道区，再由出水口进入下盖层，对 bar 条完成一次循环制冷。

在传统的微通道结构设计中，更多的是采用平行通道，原因是采用腐蚀这种制作通道通过控制时间在单个面上大部分情况下只能得到平行通道，另外根据Riddle人们的研究：在一定的流量下，矩形通道中的流体总热传导系数和通道水力的直径成反比。所以，通道直径的不断减小，换热系数会随着增加。由于系统散热面积和体积比的显著的增加，在减小体积时散热量而得到了极大提高。若依据两相流的散热机理做些相应的改进，将还能提高系统的散热能力。一般对于微通道而言，流体特性可由水力直径与深度的比等几何特征来决定，而传热特性则会受到几何条件、温度差与流量所控制。因流体的热传导的系数远低于固体，因此系统的热阻主要存于流体。虽然缩小了微通道尺寸可以增加散热能力，但是同时会引起压差的升高，会增加微通道压力负载和泵的功率。

材料方面由于半导体芯片主要是砷化镓等半导体材料制成，热膨胀系数大约是6m/m℃，为了避免芯片发热由于热沉和芯片热膨胀系数不匹配造成芯片翘曲的smile效应，尽量让热沉基体与芯片热膨胀系数相一致，所以热沉材料的选择需要考虑密度、热膨胀率、性价比等因素。材料的热阻与材料的导热系数成反比，导热系数越大，则热阻越小。此外，实验中工质横掠微针助阵列后会产生较大的温升，这就要求材料的线性热膨胀系数与外延材料线性热膨胀系数的匹配性要好,以减小由温度产生的热应力。而传统的无氧铜在热膨胀系数中表现的并不优异。

发明内容

在如今增材制造工艺优势下，根据上面研究结果本发明提供一种新结构的微通道热沉，以克服现有热沉的换热效率低，并提高降低热阻，减小压降；选择热膨胀系数接近芯片材料的加工材料制作热沉，拓宽了应用范围。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种内微通道冷却热沉，包括由上至下依次设置的出水层、分水层和进水层，进水层上设置有进水孔，进水孔连接有进水通道，分水层上设置有反水孔，出水层上设置有出水孔，出水孔连接有出水通道，所述进水通道与出水通道通过反水孔连接，所述进水通道的口径沿进水孔到反水孔方向减小，所述出水通道的口径沿反水孔到出水孔方向减小。

上述变截面通道结构是根据拉法尔喷管原理设计的，利用通道面的变化来控制流体的某些特性，液体流量公式是：Q=ρSν,其中Q为流量，ρ为流体的密度，S为通道水力半径，ν是流体的速度。在一定流量的条件下，通道水力半径及通道截面尺寸S减小,则流体的速度ν会增加。结合图中截面变化分析，进水通道的口径沿着进水孔1到反水孔6的方向减小，即截面尺寸水力半径S沿着这个方向减小，则进入进水通道的流体速度逐渐增大，增大进入反水孔流体的速度，而在出反水孔处通道尺寸最大，此处也是焊接芯片处，温度最高的地方，增加尺寸，增加液体的量，降低液体的流速，液体因速度突变增加湍流现象，从而提高此处的换热量。出水通道口径沿返水孔到出水孔方向减小，即截面尺寸水力半径S沿着这个方向减小，出水通道的流体速度逐渐增大，增加已升温液体的流速，增加排出热沉的速度，提高换热效率。

上述技术方案中，所述进水通道设置在进水层上，出水通道设置在出水层上。进水通道和出水通道分层设置，保证了进水层和出水层能够分布较多的通道，从而提高热沉的散热能力。

上述技术方案中，所述进水通道的下端与进水层端面平行，上端面为由进水孔至反水孔的斜坡；所述出水通道的上端与出水层端面平行，下端面为由反水孔至出水孔的斜坡。这样的斜坡就是前文提到的通道截面的变化，主要作用就是增加通道内流体的流速变化，增加流体散热能力。

上述技术方案中，所述出水通道包括出水分流通道和汇流通道，所述进水通道包括进水分流通道，进水孔、进水分流通道、反水孔、出水分流通道、汇流通道、出水孔依次连接。

上述技术方案中，所述进水通道、出水通道中至少任一个的通道壁为扰流通道壁，扰流通道壁的通道壁为波纹状。

上述技术方案中，所述进水通道、出水通道中至少任一个的通道内设置有扰流单元。

扰流单元是指在通道内部的截面是圆形，棱形，方形等不同形状的柱状结构如图8或者在壁面突起的圆弧状排列结构如图7，图中所示的几种是其截面形状，无论什么形状（如图8所示的放置）截面尺寸参数包括圆形直径，棱形和方形的边长，范围是0.1mm~0.2mm。高度即是通道的高度，贯穿整个通道高度空间，排列顺序有平行排列位置错排等，错排的效果要优于平行排列顺序，如图10中所示。

增加扰流单元的目的是:其一进一步增加冷却水与热沉的热交换面积，其二增加冷却水通过通道时的水流中涡流的比例，如图10中所示，不加扰流单元流体类型是层流20，加了之后变成涡流19，涡流能增加一定流量的流体内参与热交换量的比例，使带走热量能力要优于层流。

冷却水从进水层与分水层的进水通道孔进入通道壁之间的进水通道到达反水孔，冷却水由反水孔进入分水层与出水层之间的出水窄通道，经过汇总区域进入出水宽通道，进而由出水宽通道末端的出水层与分水层的出水通道孔8流出；所述出水层、分水层和进水层除进水通道孔和出水通道孔形成封闭空间，进水孔1连接冷却水进入源，出水孔连接冷却水出水源。

上述技术方案中此类热沉的通道属于微通道级别，尺寸范围是0.1mm~1mm，文中提到的窄通道是指在原来整个热沉分为4个如图5中所示宽通道中增加通道之间的脊进一步将宽通道分成如图1中所示的数量增多的窄通道，考虑到成形工艺的加工极限，尺寸由原来的2mm左右变为0.3mm~0.4mm。理论上通道越小越细化越有助于增加流体与通道壁的热交换面积，散热流体的利用率越高，散热效率也就越高，另外增加通道之间的脊来细化通道有助于整个热沉的分散热量分布，使温度均匀避免局部散热不好造成温度过高而使发热芯片烧坏。

上述技术方案中此类热沉的通道属于微通道级别，尺寸范围是0.1mm~1mm，文中提到的窄通道是指在原来整个热沉分为4个如图5中所示宽通道，宽度尺寸范围是2mm~3mm。在其中增加通道之间的脊进一步将宽通道分成如图1中所示的数量增多的窄通道，宽度尺寸范围是0.1mm~0.5mm，考虑到成形工艺的加工极限，尺寸由原来的2mm~2.5mm变为0.3mm~0.4mm。理论上通道越小越细化越有助于增加流体与通道壁的热交换面积，散热流体的利用率越高，散热效率也就越高，另外增加通道之间的脊来细化通道有助于整个热沉的分散热量分布，使温度均匀避免局部散热不好造成温度过高而使发热芯片烧坏。

具体地，所述进水通道孔高度h1大于反水孔高度h2；出水窄通道高度h3大于出水窄通道与出水宽通道相接处高度h4，所述通道壁5高度不变。

所述内微通道冷却热沉的主要成分为铬或镍。

通过反水孔的水分布均匀，散热均匀，避免局部水少或者没有造成散热不均匀而使芯片烧坏。

因此，从热沉采用下层进水道，上层出水道结构方式分布，水流方向是沿所贴的半导体芯片热场梯度的反方向，相较于背景结构中流向与梯度同向方式，此方式采用逆流替代之前的并流，增加热交换时间，增加壁面与流体之间的平均温度差，加大热量传递，强化传热，提高热交换效率。水道采用变截面结构，在热沉厚度方向上入水通道入水口高度到反水孔处通道高度沿直线呈减小趋势，相对于背景结构中增大的方式，截面的减小水力半径减小，水流的速度增加，反水孔处的流速增加，水流中湍流层的比例增加，传热效率增加。出水通道反水孔通道高度到出水口处通道高度呈直线减小，沿芯片温度梯度反向减小，增加流体的量满足热交换量，有利于优化获得高性能微通道，一定程度节省热沉空间这种结构，以及使用适用于增材制造技术的耐腐性能以及和易加工都优于无氧铜的材料是创新技术。

附图说明

图1是窄通道热沉进水层与分水层流道截面；

图2是窄通道热沉出水层与分水层截面图；

图3是内微通道冷却热沉侧截面进水层图；

图4是内微通道冷却热沉侧截面出水层图；

图5是宽通道热沉进水层与分水层流道截面；

图6 是宽通道热沉出水层与分水层截面图；

图7是扰流壁热沉进水层与分水层流道截面；

图8是扰流单元热沉水层与分水层流道截面；

图9是材料性能表；

图10是扰流单元效果示意图；

1-进水孔、2-出水孔、3-进水通道孔、4-进水通道、4-1为进水分流通道、5-通道壁、6-反水孔、7-定位孔、8-出水通道孔、9-出水通道、9-1出水分流通道、10-汇流通道、10-汇流通道、17-扰流通道壁、18-扰流单元，h3-出水窄通道反水孔高度、h4-出水窄通道与出水宽通道相接处高度。19-局部涡流，20-局部层流。

具体实施方式

为使本发明能够更加明显易懂,下面结合附图和具体热沉结构作进一步详细的说明：

一种内微通道冷却热沉，包括由上至下依次设置的出水层、分水层和进水层，进水层上设置有进水孔1，进水孔连接有进水通道4，分水层上设置有反水孔6，出水层上设置有出水孔2，出水孔2连接有出水通道9，所述进水通道4与出水通道9通过反水孔6连接，其特征在于：所述进水通道4的口径沿进水孔1到反水孔6方向减小，所述出水通道9的口径沿反水孔6到出水孔2方向减小。所述进水通道设置在进水层上，出水通道设置在出水层上。所述进水通道4的下端与进水层端面平行，上端面为由进水孔1至反水孔6的斜坡；所述出水通道9的上端与出水层端面平行，下端面为由反水孔6至出水孔2的斜坡。所述出水通道包括出水分流通道9-1和汇流通道10，所述进水通道4包括进水分流通道4-1，进水孔1、进水分流通道、反水孔6、出水分流通道9-1、汇流通道10、出水孔2依次连接。所述进水通道、出水通道中至少任一个的通道壁为扰流通道壁17，扰流通道壁17的通道壁为波纹状。所述进水通道、出水通道中至少任一个的通道内设置有扰流单元18。还包括扰流单元18，所述扰流单元18为设置在进水通道4或出水通道9内的若干个柱状结构。

实施例1：

本实例结构的制造方法为增材制造技术一体成型的窄通道热沉，冷却水从进水孔1通过进水通道孔3依次进入通道壁5之间的进水通道4，进水通道，然后进入热沉芯片贴合前端通过反水孔6进入出水通道9中，经过汇流通道10汇总后，再经出水通道孔8进入出水孔2，由此完成一次循环制冷。进出通道4的增加和通道壁尽可能长的原因是尽量增大换热面积，减小液体运动速度，提高换热效率。出水通道9的反水孔6处的通道高度h3要大于出水宽通道10处的通道宽度h4。利用通道面的变化来控制流体的某些特性，液体流量公式是：Q=ρSν,其中Q为流量，ρ为流体的密度，S为通道水力半径，ν是流体的速度。在一定流量的条件下，通道水力半径及通道截面尺寸S减小,则流体的速度ν会增加，高度减小一倍左右使截面面积减小一倍，则流体流速增加一倍。进水通道4的进水孔3高度h1要大于反水孔6处通道高度h2，高度减小一倍左右使截面面积减小一倍，则流速增加一倍。通道壁5的高度不变，始终起支撑作用。

实施例2：

本实例结构的制造方法为增材制造技术一体成型的窄通道热沉，冷却水从进水孔1通过进水通道孔3依次进入通道壁5之间的进水通道4，进水通道，然后进入热沉芯片贴合前端通过反水孔6进入出水通道9中，经过汇流通道10汇总后，再经出水通道孔8进入出水孔2，由此完成一次循环制冷。进出水通道的增加和通道壁尽可能长的原因是尽量增大换热面积，减小液体运动速度，提高换热效率。出水通道9的反水孔6处的通道高度h3要大于出水宽通道10处的通道宽度h4。利用通道面的变化来控制流体的某些特性，液体流量公式是：Q=ρSν,其中Q为流量，ρ为流体的密度，S为通道水力半径，ν是流体的速度。在一定流量的条件下，通道水力半径及通道截面尺寸S减小,则流体的速度ν会增加，高度减小一倍左右使截面面积减小一倍，则流体流速增加一倍。进水通道4的进水孔3高度h1要大于反水孔6处通道高度h2，高度减小一倍左右使截面面积减小一倍，则流速增加一倍。通道壁5的高度不变，始终起支撑作用。

上述技术方案中，所述进水通道4、出水通道9中至少任一个的通道内设置有扰流单元。

扰流单元是指在通道内部的截面是圆形，棱形，方形等不同形状的柱状结构如图8或者在壁面突起的圆弧状排列结构如图7，图中所示的几种是其截面形状，无论什么形状（如图8所示的放置）截面尺寸参数包括圆形直径，棱形和方形的边长，范围是0.1mm~0.2mm。高度即是通道的高度，贯穿整个通道高度空间，排列顺序有平行排列位置错排等，错排的效果要优于平行排列顺序，如图10中所示。

增加扰流单元的目的是:其一进一步增加冷却水与热沉的热交换面积，其二增加冷却水通过通道时的水流中涡流的比例，如图10中所示，不加扰流单元流体类型是层流20，加了之后变成涡流19，涡流能增加一定流量的流体内参与热交换量的比例，使带走热量能力要优于层流。

实施例3：

本实例结构的制造方法为增材制造技术一体成型的窄通道热沉，冷却水从进水孔1通过进水通道孔3依次进入通道壁5之间的进水通道4，进水通道，然后进入热沉芯片贴合前端通过反水孔6进入出水通道9中，经过汇流通道10汇总后再经出水通道孔8进入出水孔2，由此完成一次循环制冷。进出水通道的增加和通道壁尽可能长的原因是尽量增大换热面积，减小液体运动速度，提高换热效率。出水通道9的反水孔6处的通道高度h3要大于出水宽通道10处的通道宽度h4。利用通道面的变化来控制流体的某些特性，液体流量公式是：Q=ρSν,其中Q为流量，ρ为流体的密度，S为通道水力半径，ν是流体的速度。在一定流量的条件下，通道水力半径及通道截面尺寸S减小,则流体的速度ν会增加，高度减小一倍左右使截面面积减小一倍，则流体流速增加一倍。进水通道4的进水孔3高度h1要大于反水孔6处通道高度h2，高度减小一倍左右使截面面积减小一倍，则流速增加一倍。通道壁5的高度不变，始终起支撑作用。

进水通道、出水通道中至少任一个的通道壁为扰流通道壁，扰流通道壁的通道壁为波纹状。

扰流通道壁的目的是:其一进一步增加冷却水与热沉的热交换面积，其二增加冷却水通过通道时的水流中涡流的比例，加了之后变成涡流19，涡流能增加一定流量的流体内参与热交换量的比例，使带走热量能力要优于层流。

虽然这里结合具体的实施例对本发明进行了描述，但是对本领域技术人员来说，很多其它的变化、改进以及应用将是很明显的。因此，本发明不应当受此处特定公开的限制，而应由附加的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种内微通道冷却热沉，包括由上至下依次设置的出水层、分水层和进水层，进水层上设置有进水孔（1），进水孔（1）连接有进水通道（4），分水层上设置有反水孔（6），出水层上设置有出水孔（2），出水孔（2）连接有出水通道（9），所述进水通道（4）与出水通道（9）通过反水孔（6）连接，其特征在于：所述进水通道（4）的口径沿进水孔（1）到反水孔（6）方向减小，所述出水通道（9）的口径沿反水孔（6）到出水孔（2）方向减小，所述进水通道（4）设置在进水层上，出水通道（9）设置在出水层上，所述进水通道（4）的下端与进水层端面平行，上端面为由进水孔（1）至反水孔（6）的斜坡；所述出水通道（9）的上端与出水层端面平行，下端面为由反水孔（6）至出水孔（2）的斜坡。

2.根据权利要求1所述的一种内微通道冷却热沉，其特征在于，所述出水通道包括出水分流通道（9-1）和汇流通道（10），所述进水通道（4）包括进水分流通道（4-1），进水孔（1）、进水分流通道、反水孔（6）、出水分流通道（9-1）、汇流通道（10）、出水孔（2）依次连接。

3.根据权利要求2所述的一种内微通道冷却热沉，其特征在于，所述进水通道（4）、出水通道（9）中至少任一个的通道壁为扰流通道壁（17），扰流通道壁（17）的通道壁为波纹状。

4.根据权利要求2所述的一种内微通道冷却热沉，其特征在于，所述进水通道（4）、出水通道（9）中至少任一个的通道内设置有扰流单元（18）。

5.根据权利要求1-3的任一所述的一种内微通道冷却热沉，其特征在于，还包括扰流单元（18），所述扰流单元（18）为设置在进水通道（4）或出水通道（9）内的若干个柱状结构。

6.根据权利要求4所述的一种内微通道冷却热沉，其特征在于，扰流单元（18）为设置在进水通道（4）或出水通道（9）内的若干个柱状结构。