CN1057424C - 微通道冷却热沉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体激光器及其列阵器件、大规模集成电路等散热冷却器件的一种微通道冷却热沉。它由N(N≥4)块厚度均匀的薄金属片的热沉片叠合封围而成。热沉片分为传热片、通道片、含有导流孔和圆孔或者还有导流缝的导流片以及含有圆孔的过流片。通道片上分布多条密集的细狭缝构成冷却的微通道。通道片上均布圆孔周围与圆孔相通的宽缝形成主通道。它具有冷却效果好，使用广泛灵活，结构与制造工艺简单的优点。

Description

微通道冷却热沉

本发明涉及半导体激光器及其列阵器件、大规模集成电路等散热的冷却部件，也可推广应用于其他要求快速散热和通过多方面实现整体散热的场合，如晶体散热等。

微通道热沉最早是由土克曼(D.B.Tuckerman)在美国斯坦福大学(Stanford)提出的。土克曼在1981年5月电子器件通信(IEEEELECTRON DEVICE LETTER)第2卷第5期发表的“大规模集成电路的高性能热沉(High-Performance Heat Sinking for VISI)”一文中描述的微通道冷却热沉的结构是：在集成电路芯片的硅衬底背面用化学方法腐蚀苦干矩形沟槽，用盖板耦合构成冷却液微通道，密封与外界连接而形成冷却液回路。器件产生的热量通过联结层传导到热沉，被微通道中流动的冷却液带走而达到对集成电路芯片散热的目的。该项技术已获明显效果，然而这种热沉只能用于平面型的大规模集成电路和激光二极管列阵以及平面型半导体器件，它只能通过一个接触面散热。而且，由于传导的热阻与材料的热导率成反比，微通道中冷却液吸热的等效热阻与微通道的结构参数 成反比(W和H分别为微通道的宽度和深度)，也就是说微通道的深宽比大则带走热量快，但是硅材料的热导率不算太好，特别是用化学腐蚀方法制作微通道不易达到大的深宽比(槽深难于超过300微米)，因此限制了散热效果。

为此，本发明旨在提供一种新结构的微通道热沉，以致克服上述已有技术的热沉存在的缺限，提高热沉冷却效率，使其使用方便，应用范围拓宽。

本发明的微通道冷却热沉是由N块(N≥4)厚度均匀的良导热金属(或合金)薄片的热沉片叠合封围构成的。这些热沉片按叠合顺序依次分为传热片1、通道片2、导流片3、5、6和过流片4。过流片4上开有圆孔41、45分别为进液孔和出液孔，以备通过“O”形圈密封与外部管道连接，过流片4直接与安装座接触。传热片是直接与被冷却物体接触，无孔或必要时也开有圆孔为进出液孔。通道片2上有平行密集的多条细狭缝23，细狭缝的宽度通常取值30～100微米，细狭缝的密度大于10条/毫米，细狭缝23大幅面地分布在通道片2的中部或者集中分布在圆形、环带状或条形区域里。在进出液孔的相应位置也开有圆孔21和25，圆孔周围均匀分布有宽缝22、24与圆孔21、25相通。在通道片2与过流片4之间有导流片3，导流片3上有M(M≥2)个长条形导流孔32、34，也有圆孔31、35。导流片上的长条形的导流孔32、34为的是跨接细狭缝23和宽缝22、24相通。传热片1一面接触被冷却物体，另一面是通道片2。通道片2与过流片4之间是导流片3。所有热沉片在叠合封围下宽缝22和24形成冷却液流通的主通道，细狭缝23形成微通道，导流孔32和34形成分别将宽缝22和24与细缝23接通的导流通道，圆孔21与31、41，圆孔25与35、45分别对准形成进液孔和出液孔。也就是说，这些热沉薄片叠合粘结后，互相封围，其中宽缝形成冷却液流通的主通道，细狭缝形成微通道，导流孔则形成导流通道，过液孔形成了过液通道，热沉片叠合成为一整体，成为一高抗压强度的薄壁结构，并具有圆形的进出液孔。

上述构成热沉的热沉片均选用导热性能优良而物化性质稳定的金属或合金材料，例如无氧铜、镀银紫铜、银等等，热沉片可以是方形、长方形、圆形或者是环带状的。

与已有技术相比，本发明的微通道冷却热沉具有下列优点：

1.冷却效果更好。

理论和实验都早已指出，冷却液湍流层是起吸热作用的主要部分，其热阻与通道的深宽比成反比。已有技术中用化学腐蚀法刻制微通道受保护胶耐浸泡时间等等条件的限制，硅片蚀刻几十微米宽度的槽深难以超过300微米；而且槽底平面很难保证，这也直接影响散热效果。本发明采用薄片开缝然后叠合封围所构成的微通道，深宽比根本不受限制，可以大大改善湍流层的吸热性能。槽深了通道截面就增大，冷却液的总流量随之增大，也有利于提高带走热量的速度。良导热金属和绝对平底的传热层最大限度地降低了被冷却物体至冷却液的热阻，例如铜或银的导热率是硅片的近3倍，所以本发明的冷却效果远远比上述已有技术好。

2.有广泛的适用场合。

由于本发明的进出液孔都是圆形孔，采用“O”形圈与外界连接，这种连接方式比橡皮片的密封可靠，而且装配方便，易于实现模块拼接，因此可以推广应用于任何要求快速散热的器件，特别是适合于有相当厚度和要求通过多面实现整体散热的器件，如固体激光器的工作物质、光功能晶体器件、大功率电气元器件等等。

3.电连接方便。

用金属热沉片叠合成的热沉导电性能优良，用于冷却高功率激光二极管等大电流半导体器件时正好充当芯片的下电极，固定在接通外部管道的金属基座上，可以实现可靠的电连接。

4.热沉片的结构简单，便于加工，成品率高。

已有技术中硅片蚀刻工艺条件苛刻，速度极慢，最快的氢氧化钾(KOH)蚀刻工艺只能达到每小时4微米，而且槽沟越深沟底平面形状越难保证，直接影响散热效果。而本发明的热沉可以采用任何先进的办法刻细狭缝或宽缝，比如用激光加工的办法等，这种激光切割工艺成熟，操作方便，速度快，成品率也高。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是大面积冷却用的微通道冷却热沉的结构分解图。

图2是图1热沉的A-A剖视图及其局部放大图。

图3是图1热沉的B-B剖视图。

图4是端面条形冷却的微通道冷却热沉的结构展示图。

图5是供高功率激光倍频晶体使用的由图1热沉组合的微通道冷却热沉。

实施例1：

如图1所示，热沉片的数量N＝4，热沉片为长方形或方形，是做为大面积冷却用微通道冷却热沉，依次排列有传热片1、通道片2、导流片3和过流片4叠合封围而成。图2是其A-A剖视及局部放大图，图3是其B-B剖视图。传热片1上无孔。通道片2上有宽缝22和24，细狭缝23和圆孔21和25。导流片3上有M＝2个长条形的导流孔32和34，有圆孔31和35。过流片4上有圆孔41和45。通道片2和导流片3夹在传热片1和过流片4之间，形成高抗压强度的薄壁结构，叠合封围下宽缝22、24形成冷却液流淌的主通道，细狭缝23形成微通道，通道片上的圆孔21、导流片上的圆孔31与过流片的上41和圆孔25，35与45分别对准形成进液和出液孔。使用时，用“O”形圈将进出液孔与冷却液管道连接(图中未画)，冷却液由进液孔41、31、21通过主通道22和导流通道32进入微通道23，再经导流通道34和主通道24汇集到出液孔25、35、45流出，在此过程中热量被微通道23中流动的冷却液不断地带走，实现冷却的目的。

开缝当然不限于直线走向，所以这种微通道热沉可以大面积冷却的并不仅仅是矩形区域，它可以根据实际需要，对诸如圆形的、环带状的等等各种特定形状的区域实行冷却。

实施例2：

这种大面积冷却的微通道冷却热沉还不难组合使用于不同的冷却对象。图5就是供高功率激光倍频晶体使用的双面冷却的微通道冷却热沉的半剖视图。其结构是两块大面积冷却的微通道热沉的进、出液孔由连接通道7和“O”形圈密封连接，被夹板10和11夹持并用螺钉9紧固。图中12是冷却液进或出的输液嘴，以便与冷却液源接连。靠近输液嘴的热沉的进出液孔同时又充当冷却液通往另一热沉的过道，因此这只热沉中采用带圆孔的传热片1。需要冷却的激光倍频晶体被置于两块大面积冷却的微通道冷却热沉之间，在图中的13为倍频晶体。不言而喻，这个位置也可以放置其他需要冷却的对象。

由此可以举一反三，根据需要不难组合成能从三面、四面等多面进行冷却的微通道冷却热沉。

实施例3：

图4为端面条形冷却的微通道冷却热沉的结构展示图，可供激光二极管列阵等使用。热沉片为长条形，热沉片的数量N＝6，包括传热片1、通道片2、3片导流片3、5和6，以及1片过流片4组成。其中通道片2上的细狭缝23密布在位于其一端的条形区域，另一端的一侧开有圆孔21，并有均布在圆孔21周围与圆孔21相通的至少3条宽缝22；导流片6的一端刻有多条导流缝63，另一端有圆孔61、65，并有均布在圆孔65周围与圆孔65相通的至少3条宽的导流缝64；导流片3和导流片5都在其对准细狭缝23的顶端的位置上刻有长条形的导流孔(分别为36和56)，并分别在对应于22与23和64与63之间的间隙位置上有长条形的导流孔32和54，还相应地具有圆孔31和51；传热片1上无孔，过流片4上有圆孔41和45。当传热片1、通道片2、导流片3、导流片5、导流片6和过流片4依次迭合互相封围后，圆孔41、61、51、31和21对准并构成进液孔，圆孔65和45对准构成出液孔；宽缝22形成主通道，细狭缝23形成微通道，导流孔32形成跨接于其间的导流通道；导流缝63形成导流通道，宽缝64形成回流的主通道，过液孔54形成跨接于其间的过流通道；过液孔36与56对准，形成微通道与导流通道之间的过流通道。工作时，冷却液从进液孔输入，经主通道和过流通道进入微通道，通过微通道的冷却液由顶端的过流通道到达导流通道，最后经那里的过流通道和主通道汇至出液孔流出。

Claims (6)

1.一种用于冷却的具有供冷却液流通的微小通道的微通道冷却热沉，其特征在于基本结构是：

1)由N(N≥4)块厚度均匀金属薄片的热沉片叠合封围而构成，热沉片分为：传热片(1)、通道片(2)、导流片(3、5、6)和过流片(4)；

2)通道片(2)上有多条密集的细狭缝(23)、圆形孔(21)、(25)和均匀分布在圆孔周围并与圆孔相通的宽缝(22)和(24)；

3)导流片(3)上有能够将通道片(2)上的细狭缝与宽缝相接通的长条形导流孔(32)和(34)，圆孔(31)和(35)；

4)过流片(4)上有圆孔(41)和(45)；

5)传热片(1)一面接触被冷却物体，另一面是通道片(2)，通道片(2)与过流片(4)之间是导流片(3)，所有热沉片在叠合封围下宽缝(22)和(24)形成冷却液流通的主通道，细狭缝(23)形成微通道，导流孔(32)和(34)形成分别将宽缝(22)和(24)与细狭缝(23)接通的导流通道，圆孔(21)与(31)、(41)，圆孔(25)与(35)、(45)分别对准形成进液孔和出液孔。

2.根据权利要求1所述的冷却热沉，其特征在于传热片(1)上无孔，或者有与通道片(2)上圆孔(21)和(25)相对应的圆形孔。

3.根据权利要求1所述的冷却热沉，其特征在于热沉片是长方形、方形、圆形或者是环带状的。

4.根据权利要求1所述的冷却热沉，其特征在于细狭缝(23)大幅面地分布在通道片(2)的中部或者集中分布在圆形、环带状或条形区域里。

5.根据权利要求1或4所述的冷却热沉，其特征在于分布于通道片(2)上的细狭缝(23)的密度大于10条/毫米。

6.根据权利要求1所述的冷却热沉，其特征在于导流片(3)上有M(M≥2)个长条形的导流孔(32)、(34)、(36)、(54)和(56)及圆孔(31)、(51)、(61)和(65)，或者还有导流缝(63)和(64)。

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