CN104658992A - 一种新型微针肋阵列热沉 - Google Patents
一种新型微针肋阵列热沉 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104658992A CN104658992A CN201510079119.7A CN201510079119A CN104658992A CN 104658992 A CN104658992 A CN 104658992A CN 201510079119 A CN201510079119 A CN 201510079119A CN 104658992 A CN104658992 A CN 104658992A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- heat sink
- rib array
- pair
- pin
- new type
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Abstract
本发明公开了一种新型微针肋阵列热沉,包括基底和设置在基底上的针肋阵列，针肋阵列内形成交错的微流体通道，其特征在于，所述针肋阵列由多个四方体交错分布形成；所述四方体的水平截面为四边形，所述四边形的对角线相互垂直，且其中一对对角相等，另一对对角不相等；所述四边形相等的一对对角为钝角，冷却介质从四边形的另一对对角中的较大角一端流向较小角一端。本发明的微针肋阵列热沉使冷却介质的流动空间形成交错的渐缩渐扩通道，冷却介质不断冲击针肋壁面，使得流体边界层不断分离，从而促进传热。该四方体针肋的细长尾部设计避免了菱形针肋尾涡滞留区的形成，提高了热沉的换热性能。
Description
技术领域
本发明属于微电子高功率芯片封装散热领域，涉及一种新型微针肋阵列热沉，其散热效果优于常规菱形微针肋阵列热沉。
背景技术
随着半导体加工技术的不断进步，微机电系统MEMS制造技术的不断成熟，微型紧凑式换热器由于其优越的换热性能，可用于解决高功率器件的散热问题，受到了国内外学者的关注。
目前使用或研究较多的微冷却器包括：微型换热器、微冷冻机、微通道热沉、微热管均热片和微整合式冷却器等。微通道热沉作为第一代微型热沉，具有高效的换热能力，从1984年提出到现在，经历了很长时间的发展。由于其加工制作技术比较成熟，已在很多领域得到了应用。
2010年华中科技大学的罗小兵和陈剑楠等人申请发明了一种用于电子封装器件的微通道热沉，其申请号为201010146723.4。该微通道热沉如图1所示：该微通道热沉由三部分组成，其中103是盖板，104是微流体通道，105是基底。101是发热器件，即热源，102是导热绝缘胶或其它高导热系数的粘接材料。该微通道散热器通过导热材料粘接到热源上。热源工作时产生的热量通过导热材料传递到微通道的壁面，通过泵驱动冷却剂流经微通道，带走侧壁的热量。
该微通道散热器存在以下问题：
1)由于微通道尺寸小，冷却剂流经微通道时会产生较大的流动阻力；
2)由于微通道入口、出口间冷却剂的温度变化较大，换热表面温度分布不均匀。
微针肋阵列热沉作为第二代微型热沉，其强化换热效果更加明显，内部流动更加复杂，是典型的内部流动和外部流动的结合体。微针肋阵列热沉，是在微通道内敷设与流体主流方向相垂直的针肋(扰流元)阵列，不仅可以对介质的流动起到扰动作用，增强流体的扰动性，同时一定程度上可以增加有效对流换热面积，因此其换热性能更佳。
目前，微针肋阵列的截面形状有：三角形，方形，圆形，椭圆形，菱形，水滴形等。微针肋阵列的排布形式为顺排和叉排。同等条件下，叉排对流体的扰流效果更佳，其换热效果优于顺排；顺排比叉排的摩擦阻力系数小，雷诺数越大越明显。
如图2所示，现有技术中的一种菱形微针肋阵列(叉排)的结构，其中，201是流体通道，202是菱形针肋阵列，203是冷却工质。冷却工质流经微针肋阵列时，受到针肋阵列的扰动作用，流体混掺更明显，其换热效果更好。
但是，该菱形微针肋阵列热沉也存在以下缺点：
1)由于其具有两个尖锐的侧面，造成流体边界层的不断分离，从而带来较大的摩擦阻力；
2)由于肋柱具有尖锐的边角，增加了肋的粘滞力，使得流体压降增大；
3)在较小雷诺数下，尾部极易形成尾涡滞留区，不利于换热。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种新型微针肋阵列热沉，用于解决高功率电子元器件的散热问题。该热沉是基于流体横掠针肋阵列的对流换热理论，提高被冷却表面温度分布的有效装置。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种新型微针肋阵列热沉,包括基底和设置在基底上的针肋阵列，针肋阵列内形成交错的微流体通道，所述针肋阵列由多个四方体交错分布形成；所述四方体的水平截面为四边形，所述四边形的对角线相互垂直，且其中一对对角相等，另一对对角不相等；所述四边形相等的一对对角为钝角，冷却介质从四边形的另一对对角中的较大角一端流向较小角一端。
优选的技术方案，所述针肋阵列内多个四方体形成的交错微流体流动空间为交错的渐缩渐扩通道，冷却介质在该渐缩渐扩通道内流动。
进一步优选的技术方案，所述四边形具有两对分别相等的邻边，其中一对相等的邻边大于另一对相等的邻边；冷却介质先接触较短的一对邻边，再接触较长的一对邻边，即冷却介质的流向为从四边形较短的一对邻边流向四边形较长的一对邻边。
更进一步优选的技术方案，所述针肋阵列的高度为200微米，当量直径为200微米。
所述微流体通道的冷却工质为乙醇、乙二醇，纯水或者去离子水。
所述基底采用热导系数高的硅材料或者采用热导系数高的陶瓷材料。
所述基底的厚度为0.4毫米。
所述微针肋阵列热沉采用深度反应离子刻蚀DRIE技术在硅基板上加工而成或者采用MEMS加工工艺加工而成。
采用以上技术方案，本发明具有如下有益效果：
1.本发明提供的新型微针肋阵列热沉，基于流体横掠微针肋阵列对流换热理论，针肋阵列对流体工质的流动起到扰动作用，增强了流体的扰动性，一定程度上可增加有效对流换热面积，因此其换热性能更佳。
2.“长菱形”(其为类似菱形形状，尾部为细长形的“变形菱形”，也即该形状由菱形变形而来，其中一对两邻边大于另一对相邻边，冷却介质由短边流向长边)针肋阵列的布置方式，使流动空间形成交错的渐缩渐扩通道，不断冲击针肋壁面，使得流体边界层不断分离，从而促进传热。
3.类似菱形微针肋热沉与矩形截面的微通道热沉相比，对流换热面积显著增加，流体扰动性加强，散热性能更好，发热面的温度分布更均匀。
4.长菱形微针肋阵列热沉与菱形微针肋阵列热沉相比，其尾部设计避免了尾涡滞留区的形成，因此其换热性能较高。
附图说明
图1为现有技术中用于电子封装器件的微通道热沉的方案示意框图；
图2为现有技术中的一种菱形微针肋阵列的方案示意框图；
图3为本发明一种新型微针肋阵列热沉的示意图；
图4为本发明一种新型微针肋阵列热沉的竖直方向的截面示意图。
图5为不同冷却剂流速下三种通道的芯片最高温度对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实例并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图3和图4所示：一种新型微针肋阵列热沉,包括基底1和设置在基底1上的针肋阵列2，针肋阵列2内形成交错的微流体通道21，所述针肋阵列2由多个四方体22交错分布形成；所述四方体22的水平截面为四边形，所述四边形的对角线相互垂直，且其中一对对角相等，另一对对角不相等；所述四边形相等的一对对角为钝角，冷却介质3从四边形的另一对对角中的较大角一端流向较小角一端。所述针肋阵列2内多个四方体形成的交错微流体流动空间(也即是微流体通道21)为交错的渐缩渐扩通道21，冷却介质3在该渐缩渐扩通道31内流动。所述四边形具有两对分别相等的邻边，其中一对相等的邻边大于另一对相等的邻边；冷却介质3先接触较短的一对邻边，再接触较长的一对邻边，即冷却介质3的流向为从四边形较短的一对邻边流向四边形较长的一对邻边。所述针肋阵列2的高度为200微米，当量直径为200微米。所述微流体通道21的冷却工质为乙醇、乙二醇，纯水或者去离子水。所述基底1可以采用热导系数高的硅材料或者采用热导系数高的陶瓷材料。所述基底1的厚度为0.4毫米。
上述微针肋阵列热沉采用深度反应离子刻蚀DRIE技术在硅基板上加工而成或者采用MEMS加工工艺加工而成。
本发明的工作原理为：四方体形针肋阵列的布置方式，该四方体的水平截面为四边形，所述四边形的对角线相互垂直，且其中一对对角相等，另一对对角不相等；所述四边形相等的一对对角为钝角，冷却介质从四边形的另一对对角中的较大角一端流向较小角一端。从而使流动空间形成交错的渐缩渐扩通道，冷却介质不断冲击针肋壁面，使得流体边界层不断分离，从而促进传热。该四方体针肋优于菱形针肋之处在于，尾部设计避免了尾涡滞留区的形成，提高了热沉的换热性能。
为了验证本发明的有益效果，对三种微通道散热器进行仿真，采用Solidworks建立微通道热沉，菱形微针肋热沉和长菱形微针肋热沉模型，导入ANSYS-CFX中进行流体仿真。
其中，参数设置和仿真结果如下：
芯片大小：2mm×8mm×0.5mm；
微针肋区域：2.2mm×10mm×0.2mm；
微针肋热沉：4mm×20mm×0.6mm；
仿真设置：
冷却工质：水；微通道散热器：硅；
热源设置：芯片的体积生热率为5×108W/m3；
芯片和散热器与周围空气的对流换热系数为20W/m2·K。冷却剂的温度为293K，环境温度为298K；
建好仿真模型，设置好求解参数后，进行求解，最后观察求解结果。
从通过在不同冷却剂流速下三种微通道散热器的仿真，得到芯片上最高温度值，如图4中我们可以看出：本发明中设计的微针肋阵列热沉比图1中所示的用于电子封装器件的微通道热沉和图2中所示一种菱形微针肋阵列的散热效果好。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的思想和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改。
Claims (10)
1.一种新型微针肋阵列热沉,包括基底和设置在基底上的针肋阵列，针肋阵列内形成交错的微流体通道，其特征在于，所述针肋阵列由多个四方体交错分布形成；所述四方体的水平截面为四边形，所述四边形的对角线相互垂直，且其中一对对角相等，另一对对角不相等；所述四边形相等的一对对角为钝角，冷却介质从四边形的另一对对角中的较大角一端流向较小角一端。
2.根据权利要求1所述的一种新型微针肋阵列热沉，其特征在于，所述针肋阵列内多个四方体形成交错微流体流动空间为交错的渐缩渐扩通道，冷却介质在该渐缩渐扩通道内流动。
3.根据权利要求1所述的一种新型微针肋阵列热沉，其特征在于，所述四边形具有两对分别相等的邻边，其中一对相等的邻边大于另一对相等的邻边；冷却介质先接触较短的一对邻边，再接触较长的一对邻边，即冷却介质的流向为从四边形较短的一对邻边流向四边形较长的一对邻边。
4.根据权利要求1所述的一种新型微针肋阵列热沉，其特征在于，所述针肋阵列的高度为200微米，当量直径为200微米。
5.根据权利要求4所述的一种新型微针肋阵列热沉，其特征在于：所述微流体通道的冷却工质为乙醇、乙二醇，纯水或者去离子水。
6.根据权利要求1所述的一种新型微针肋阵列热沉，其特征在于：所述基底采用热导系数高的硅材料。
7.根据权利要求1所述的一种新型微针肋阵列热沉，其特征在于：所述基底采用热导系数高的陶瓷材料。
8.根据权利要求1所述的一种新型微针肋阵列热沉，其特征在于：所述基底的厚度为0.4毫米。
9.根据权利要求1所述的一种新型微针肋阵列热沉，其特征在于：所述微针肋阵列热沉采用深度反应离子刻蚀技术在硅基板上加工而成。
10.根据权利要求1所述的一种新型微针肋阵列热沉，其特征在于：所述微针肋阵列热沉采用MEMS加工工艺加工而成。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510079119.7A CN104658992A (zh) | 2015-02-13 | 2015-02-13 | 一种新型微针肋阵列热沉 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510079119.7A CN104658992A (zh) | 2015-02-13 | 2015-02-13 | 一种新型微针肋阵列热沉 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104658992A true CN104658992A (zh) | 2015-05-27 |
Family
ID=53249953
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510079119.7A Pending CN104658992A (zh) | 2015-02-13 | 2015-02-13 | 一种新型微针肋阵列热沉 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104658992A (zh) |
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105305226A (zh) * | 2015-12-06 | 2016-02-03 | 北京工业大学 | 一种回水层设有交错排列倾斜柱状扰流脊的微通道热沉 |
| CN105609475A (zh) * | 2016-03-21 | 2016-05-25 | 南京师范大学 | 超声波强化微槽道换热器 |
| CN105865089A (zh) * | 2016-04-19 | 2016-08-17 | 华北电力大学 | 一种针肋壁面微通道换热器 |
| CN107403775A (zh) * | 2017-07-24 | 2017-11-28 | 北京无线电测量研究所 | 一种微通道散热装置和电子设备 |
| CN109000488A (zh) * | 2017-09-14 | 2018-12-14 | 华北电力大学 | 一种点阵式换热器 |
| CN109149325A (zh) * | 2018-09-21 | 2019-01-04 | 清华大学 | 一种混合结构微通道热沉 |
| CN109346423A (zh) * | 2018-10-09 | 2019-02-15 | 德淮半导体有限公司 | 半导体装置及其工作方法 |
| CN109378303A (zh) * | 2018-08-21 | 2019-02-22 | 华北电力大学（保定） | 微针肋簇阵列微通道微型换热器 |
| CN109479385A (zh) * | 2016-07-11 | 2019-03-15 | 株式会社T.Rad | 层叠型散热器的芯 |
| CN109526189A (zh) * | 2018-11-29 | 2019-03-26 | 西安电子科技大学 | 一种环型微通道换热器及其流体流动换热实验装置 |
| JP2019096649A (ja) * | 2017-11-17 | 2019-06-20 | 富士電機株式会社 | 冷却器 |
| CN110325020A (zh) * | 2018-08-20 | 2019-10-11 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种高热流密度散热用复合射流冷却热沉 |
| CN111415915A (zh) * | 2020-04-30 | 2020-07-14 | 西安交通大学 | 一种微通道散热器散热结构 |
| CN112222405A (zh) * | 2020-09-14 | 2021-01-15 | 蓬莱市超硬复合材料有限公司 | 一种硬质合金刀具的制备系统及方法 |
| WO2021262086A1 (en) * | 2020-06-25 | 2021-12-30 | National University Of Singapore | Heat sink array and method of use |
-
2015
- 2015-02-13 CN CN201510079119.7A patent/CN104658992A/zh active Pending
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 夏国栋: "《长菱形微针肋热沉的流动与换热特征》", 《中国石油大学学报》 * |
Cited By (22)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105305226A (zh) * | 2015-12-06 | 2016-02-03 | 北京工业大学 | 一种回水层设有交错排列倾斜柱状扰流脊的微通道热沉 |
| CN105609475A (zh) * | 2016-03-21 | 2016-05-25 | 南京师范大学 | 超声波强化微槽道换热器 |
| CN105865089A (zh) * | 2016-04-19 | 2016-08-17 | 华北电力大学 | 一种针肋壁面微通道换热器 |
| CN105865089B (zh) * | 2016-04-19 | 2018-05-25 | 华北电力大学 | 一种针肋壁面微通道换热器 |
| CN109479385B (zh) * | 2016-07-11 | 2020-03-10 | 株式会社T.Rad | 层叠型散热器的芯 |
| CN109479385A (zh) * | 2016-07-11 | 2019-03-15 | 株式会社T.Rad | 层叠型散热器的芯 |
| CN107403775A (zh) * | 2017-07-24 | 2017-11-28 | 北京无线电测量研究所 | 一种微通道散热装置和电子设备 |
| CN107403775B (zh) * | 2017-07-24 | 2020-01-14 | 北京无线电测量研究所 | 一种微通道散热装置和电子设备 |
| CN109000488A (zh) * | 2017-09-14 | 2018-12-14 | 华北电力大学 | 一种点阵式换热器 |
| JP2019096649A (ja) * | 2017-11-17 | 2019-06-20 | 富士電機株式会社 | 冷却器 |
| JP7024962B2 (ja) | 2017-11-17 | 2022-02-24 | 富士電機株式会社 | 冷却器 |
| CN110325020A (zh) * | 2018-08-20 | 2019-10-11 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种高热流密度散热用复合射流冷却热沉 |
| CN110325020B (zh) * | 2018-08-20 | 2023-07-04 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种高热流密度散热用复合射流冷却热沉 |
| CN109378303A (zh) * | 2018-08-21 | 2019-02-22 | 华北电力大学（保定） | 微针肋簇阵列微通道微型换热器 |
| CN109378303B (zh) * | 2018-08-21 | 2024-03-22 | 华北电力大学（保定） | 微针肋簇阵列微通道微型换热器 |
| CN109149325A (zh) * | 2018-09-21 | 2019-01-04 | 清华大学 | 一种混合结构微通道热沉 |
| CN109346423A (zh) * | 2018-10-09 | 2019-02-15 | 德淮半导体有限公司 | 半导体装置及其工作方法 |
| CN109526189A (zh) * | 2018-11-29 | 2019-03-26 | 西安电子科技大学 | 一种环型微通道换热器及其流体流动换热实验装置 |
| CN111415915B (zh) * | 2020-04-30 | 2022-07-12 | 西安交通大学 | 一种微通道散热器散热结构 |
| CN111415915A (zh) * | 2020-04-30 | 2020-07-14 | 西安交通大学 | 一种微通道散热器散热结构 |
| WO2021262086A1 (en) * | 2020-06-25 | 2021-12-30 | National University Of Singapore | Heat sink array and method of use |
| CN112222405A (zh) * | 2020-09-14 | 2021-01-15 | 蓬莱市超硬复合材料有限公司 | 一种硬质合金刀具的制备系统及方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104658992A (zh) | 一种新型微针肋阵列热沉 | |
| CN104465562B (zh) | 一种链式交错型微通道结构 | |
| CN111446221B (zh) | 一种低流阻芯片嵌入式阵列微射流散热器及其制造方法 | |
| CN104167399B (zh) | 错位复杂微通道微型换热器 | |
| CN103594430B (zh) | 用于功率电子器件散热的微通道散热器 | |
| CN109149325B (zh) | 一种混合结构微通道热沉 | |
| CN104051952B (zh) | 一种内微通道冷却热沉 | |
| CN212695142U (zh) | 一种具有断续斜肋结构的微通道热沉 | |
| CN104201158A (zh) | 一种硅基微通道散热器集成冷却装置 | |
| CN111415915A (zh) | 一种微通道散热器散热结构 | |
| CN110662403A (zh) | 一种阵列扰流柱射流冷却装置 | |
| CN206640935U (zh) | 鳍片散热器 | |
| CN107084550A (zh) | 半导体制冷组件及冰淇淋机 | |
| CN106601703B (zh) | 采用二次回流冷却模式的微通道热沉 | |
| CN209896047U (zh) | 一种歧管式复杂结构微通道微型散热器 | |
| CN115050715A (zh) | 一种基于合成双射流激励器的液冷散热装置 | |
| CN203983257U (zh) | 错位复杂微通道微型换热器 | |
| CN111026253A (zh) | 具有低阻流道强化换热上盖的液冷芯片散热器 | |
| CN212810289U (zh) | 一种具有特殊肋结构的微通道热沉 | |
| CN105374767B (zh) | 一种高性能微槽道散热结构 | |
| CN207781583U (zh) | 一种蛛网式微流道散热装置 | |
| CN109152310A (zh) | 一种多圆弧微通道散热装置 | |
| CN210778560U (zh) | 一种具有多流道相联通的微通道换热器 | |
| CN207399733U (zh) | 轻薄冷板散热结构 | |
| CN112399779A (zh) | 一种梯形与波形结合的混合微通道散热器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150527 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |