CN106024736A - 基于mems技术的集成微热管散热器 - Google Patents

基于mems技术的集成微热管散热器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于MEMS技术的集成微热管散热器，包括：散热腔体、吸热腔体、循环管道和散热工质，散热腔体和吸热腔体内均设有内部微流道结构，循环管道与散热腔体中的内部微流道结构、吸热腔体中的内部微流道结构连通；散热工质在循环管道和内部微流道结构的内部进行流通；散热工质进入吸热腔体中的内部微流道结构时为液相，吸热后变为气相，气相工质通过循环管道进入散热腔体中的内部微流道结构，并在散热腔体中的内部微流道结构内遇冷凝结成液相，然后再通过循环管道流回吸热腔体。本发明将气相的散热工质冷却后从散热腔体流入吸热腔体，有利于提高散热器的热交换效率。

Description

基于MEMS技术的集成微热管散热器
技术领域
本发明涉及基于MEMS工艺的散热技术和高效热交换技术领域，具体地，涉及一种基于MEMS技术的集成微热管散热器。
背景技术
伴随着科学技术的高速发展，电子器件的高密度和微型化成为必然趋势，尤其是对于高功率CPU芯片，散热成为了一个迫切需要解决的问题，由于CPU芯片的微型化，热管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。
现有的热管一般都是采用机械加工，普遍存在热管体积较大的缺点，不能放入电子设备。
经过对现有技术的检索发现，赵耀华、刘建荣、刁彦华、杨开篇等人在北京工业大学学报，2009，35:1，58-62上发表的文章“微槽群散热器换热性能实验研究”中设计出微槽群相变散热器，但是仍然很大程度上依赖风力散热，散热器体积较大，温度分布不均匀，不利于CPU芯片的稳定工作，对于微加工工艺也没有指导意义。
张亚平、冯全科、余小玲在国外电子元器件，2006，9，11-15发表的文章“微热管在电子器件冷却中的应用”中设计平板热管，虽然三维流动与普通热管相比这种热管传播器具有更大的冷却面积，有利于温度的分散，但是吸液芯体的设计和构造在微加工工艺上不易实现，作者在文章中没有给出微流道结构设计，也没有做出具体的实验数据，所以在工艺与测试实现上没有指导意义。
公开号为CN101175389A、申请号为200610123676.5的中国发明专利，该专利公开一种微热管散热基板。该微热管散热基板由多层平板式散热层构成，在上下散热层中制作微热管结构，使其在垂直方向上具有热端和冷端，然后利用底部的控温陶瓷层控制冷端的温度，使得整个基板具有散热和控温功能。但是该专利的层数较多，结构复杂，相对制备工艺也较为复杂。
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基于MEMS技术的集成微热管散热器，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，本发明提供一种基于MEMS技术的集成微热管散热器，包括：散热腔体、吸热腔体、循环管道和散热工质，其中：
所述散热腔体和所述吸热腔体内均设有内部微流道结构，所述循环管道位于散热腔体、吸热腔体中间并与散热腔体中的内部微流道结构、吸热腔体中的内部微流道结构连通，从而实现散热腔体、吸热腔体之间的连通；
所述散热工质在循环管道和散热腔体中的内部微流道结构、吸热腔体中的内部微流道结构的内部进行流通；所述循环管道分为相通的热循环管道和冷循环管道，所述散热工质进入吸热腔体中的内部微流道结构时为液相，吸热后变为气相，气相工质通过热循环管道进入散热腔体中的内部微流道结构，并在散热腔体中的内部微流道结构内遇冷凝结成液相，然后再通过冷循环管道流回吸热腔体；
所述热循环管道的一端为连接吸热腔体的气相工质出口，另一端为连接散热腔体的气相工质进口，所述气相工质出口的口径大于所述气相工质进口的口径；所述冷循环管道的一端为连接散热腔体的液相工质出口，另一端为连接吸热腔体的液相工质进口，所述液相工质出口的口径大于所述液相工质进口的口径。出口的口径不相同，有利于集气与液体回流，增加散热速率，有利于换热。
优选地，所述气相工质出口、气相工质进口位于所述热循环管道的两端部，所述液相工质出口、液相工质进口位于所述冷循环管道的两端部，使得气相工质出口和液相工质出口距离最远，这样能使集成微热管散热器整体的最高温度最低。
优选地，所述热循环管道和冷循环管道之间设有循环管道分隔部件，用于分隔热循环管道和冷循环管道。
优选地，所述散热腔体连接工质灌注密封口，工质灌注密封口用于灌注散热工质。
优选地，所述散热腔体、循环管道和吸热腔体由MEMS技术的电镀工艺进行一体化制作。
优选地，所述内部微流道结构由多个微流道构成，多个微流道的尺寸相同或不相同。
更优选地，所述微流道包括粗微流道和细微流道，粗微流道比细微流道截面积大，且粗微流道和细微流道间隔分布，即相邻两个粗微流道之间为一细微流道，粗微流道和细微流道互相平行，使流道变窄，加剧毛细作用。
优选地，所述微流道为长方体或四棱台或三棱柱的其中一种或多种结构，多个微流道平行排列的。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明将气相的散热工质冷却后从散热腔体流入吸热腔体，有利于提高散热器的热交换效率；采用高热导率的金属材料构造集成微热管散热器，不但工艺易于制造，而且散热效率高；
本发明将液相工质吸热变为气相工质，通过内部微流道进入散热腔体，散热腔体的气体遇冷变为液相工质，并采用结构和形式多样的内部微流道，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。
本发明将循环管道设计成一端开口较大、一端开口较小，有利于集气与液体回流，增加散热速率，有利于换热，所以液相工质入口的位置位于热管的一侧，气相工质入口的位置位于热管的另一侧，这样能使芯片整体的最高温度最低。
本发明散热腔体、循环管道和吸热腔体由MEMS技术的电镀工艺进行一体化制作，相较于传统机械加工，易于集成化，易制成大规模和多模式三维阵列金属微结构。
本发明针对大开口便于收集的规律，将循环管道设计成一端开口较大、一端开口较小，而现有的热管散热器流体冷却工质一般采用粗细均匀一边导入另一边导出的方式循环工作，普遍存在收集气体或液体的效率低下，与芯片散热的效率要求不符合，本发明，一方面提出将热管冷凝段制成开口大小不同这一新颖理念，另一方面内部微流道可采用多种结构和形式，并且循环管道和腔体都采用高热导率材料，使得器件的温度快速传导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为本发明一实施例的结构示意图；
图2为本发明一实施例的工质流向图；
图3为本发明另一实施例的结构示意图；
图中：散热腔体1、内部微流道结构1-1、吸热腔体2、内部微流道结构2-1、循环管道3、热循环管道3-1、冷循环管道3-2、散热工质4、液相工质出口5、气相工质出口6、循环管道分隔部件7和工质灌注密封口8。
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所示，本实施例提供一种基于MEMS技术的集成微热管散热器，包括：散热腔体1、吸热腔体2、循环管道3和散热工质4，其中：散热工质灌注在集成微热管散热器内。
所述散热腔体1、吸热腔体2、循环管道3均设置在热管散热器内，且散热腔体1、吸热腔体2、循环管道3由MEMS技术的电镀工艺进行一体化制作；
所述散热腔体1内设有内部微流道结构1-1，便于所述散热工质4传递热量。
所述吸热腔体2中设有内部微流道结构2-1，便于所述散热工质4传递热量。
循环管道3位于散热腔体1、吸热腔体2中间，并与散热腔体1中的内部微流道结构1-1、吸热腔体2中的内部微流道结构2-1连通，从而实现散热腔体1、吸热腔体2之间的连通；所述循环管道3分为相通的热循环管道3-1和冷循环管道3-2，与吸热腔体2中的内部微流道结构2-1连通、散热腔体1中的内部微流道结构1-1连通。
如图2所示，所述热循环管道3-1的一端为连接吸热腔体2的气相工质出口6-1，另一端为连接散热腔体1的气相工质进口6-2，所述气相工质出口6-1的口径大于所述气相工质进口6-2的口径；所述冷循环管道的一端为连接散热腔体1的液相工质出口5-1，另一端为连接吸热腔体2的液相工质进口5-2，所述液相工质出口5-1的口径大于所述液相工质进口5-2的口径，有利于集气与液体回流，增加散热速率，有利于换热。
所述散热工质4在循环管道3和散热腔体1中的内部微流道结构1-1、吸热腔体2中的内部微流道结构2-1的内部进行流通。
所述散热工质4进入吸热腔体2中的内部微流道结构2-1时为液相，吸热后变为气相，气相工质通过热循环管道3-1进入散热腔体1中的内部微流道结构1-1，并在散热腔体1中的内部微流道结构1-1内遇冷凝结成液相，然后再通过冷循环管道3-2流回吸热腔体。
如图2所示，图中5-1是液相工质出口，即液化后的散热工质4从散热腔体1中内部微流道结构1-1中流出的出口。
如图2所示，图中5-2是液相工质进口5，即液化后的散热工质4从散热腔体1中内部微流道结构1-1中流出，进入吸热腔体2的进口。
如图2所示，图中6-1是气相工质出口，即汽化后的散热工质4从吸热腔体2中内部微流道结构2-1中流出的出口。
如图2所示，图中6-2是气相工质进口，即汽化后的散热工质4从吸热腔体2中内部微流道结构2-1中流出，进入散热腔体1的进口。
如图2所示，所述液相工质出口5-1、气相工质出口6-1位于所述循环管道的两端，距离最远，这样能使集成微热管散热器整体的最高温度最低。
进一步的，图中循环管道分隔部件7，设置在热循环管道3-1和冷循环管道3-2之间，用于分隔热循环管道3-1和冷循环管道3-2。
进一步的，图中工质灌注密封口8与散热腔体1相连接，用于灌注散热工质。
所述待散热芯片与所述吸热腔体外壁相连，其热量通过接触传热进入所述吸热腔体的内部微流道结构2-1并传到散热工质4中，再通过所述散热工质4带出。
所述集成微热管散热器针对待散热芯片热量分别设置散热工质含量。
所述散热工质4为丙酮，或者为氟利昂，或者为甲醇，或者为氨水，或者为液体混合物。
所述散热腔体1、吸热腔体2、循环管道3和内部微流道结构由Au、Ag、Cu、Al、Zn或Ni材料的一种或几种组合制成，使得器件的温度快速传导并最大限度地提高散热效率。采用高热导率的金属材料构造集成微热管散热器，不但工艺易于制造，而且散热效率高。
所述内部微流道结构由多种结构和分布形式的微流道组成，其中：
微流道为长方体或四棱台或三棱柱的其中一种或多种结构，分布形式是指长方体、四棱台、三棱柱中一种或多种结构的微流道是平行排列的。
作为一具体实施，所述内部微流道结构1-1、2-1，为矩形柱结构，内部微流道结构由多个微流道构成，所述微流道的横截面是长和宽分别为7mm和0.85mm的矩形，高度为0.3mm，所述微流道之间间距为0.85mm。
作为一具体实施，所述热管散热器外壁的厚度为0.5mm。
作为一具体实施，所述内部微流道结构1-1、2-1，由Cu制成。
作为一具体实施，所述的散热器整体尺寸为10.35mm*10.35mm*1mm。
本发明将气相的散热工质4冷却后从散热腔体1流入吸热腔体2。工作过程中，所述散热工质4从所述循环管道3进入所述散热腔体1，待散热芯片的热量通过所述吸热腔体2及所述内部微流道结构传到所述散热工质4中，致使所述散热工质4相变，所述散热工质4再经由循环管道3带入散热腔体1。
实施例2
如图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，本实施例组成部件之间的连接与实施例1相同，内部流道结构1-1、2-1的构成稍有区别。
本实施例中，所述内部微流道结构1-1、2-1为矩形柱结构，内部流道结构之间形成微流道，所述微流道包括粗微流道和细微流道，粗微流道比细微流道截面积大，且粗微流道和细微流道间隔分布，即相邻两个粗微流道之间为一细微流道，粗微流道和细微流道互相平行，使流道变窄，加剧毛细作用。
作为优选，所述粗微流道的横截面是长和宽分别为7mm和0.85mm的矩形，高度为0.3mm；粗微流道之间间距为0.85mm；
细微流道的横截面为长和宽分别为7mm和0.25mm的矩形，高度为0.1mm；细微流道与粗微流道之间间距为0.3mm。
本实施例工作过程中，所述散热工质4从所述循环管道进入所述散热腔体。
本实施例中，待散热芯片的热量通过吸热腔体及内部流道结构传到散热工质中，致使散热工质相变，散热工质再经由循环管道带入散热腔体。本发明将气相的散热工质冷却后从散热腔体流入吸热腔体。
本实施例的微小沟槽(粗微流道之间的细微流道)能够通过毛细作用加速散热工质的传输，在非重力条件下也能进行散热工质的气液相变循环，可用于航天系统等设备中。
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 (8)

1.一种基于MEMS技术的集成微热管散热器，其特征在于，包括：散热腔体、吸热腔体、循环管道和散热工质，其中：
所述散热腔体和所述吸热腔体内均设有内部微流道结构，所述循环管道位于散热腔体、吸热腔体中间并与散热腔体中的内部微流道结构、吸热腔体中的内部微流道结构连通，从而实现散热腔体、吸热腔体之间的连通；
所述散热工质在循环管道和散热腔体中的内部微流道结构、吸热腔体中的内部微流道结构的内部进行流通；所述循环管道分为相通的热循环管道和冷循环管道，所述散热工质进入吸热腔体中的内部微流道结构时为液相，吸热后变为气相，气相工质通过热循环管道进入散热腔体中的内部微流道结构，并在散热腔体中的内部微流道结构内遇冷凝结成液相，然后再通过冷循环管道流回吸热腔体；
所述热循环管道的一端为连接吸热腔体的气相工质出口，另一端为连接散热腔体的气相工质进口，所述气相工质出口的口径大于所述气相工质进口的口径；所述冷循环管道的一端为连接散热腔体的液相工质出口，另一端为连接吸热腔体的液相工质进口，所述液相工质出口的口径大于所述液相工质进口的口径。
2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS技术的集成微热管散热器，其特征在于，所述热循环管道和冷循环管道之间设有循环管道分隔部件，用于分隔热循环管道和冷循环管道。
3.根据权利要求1所述的一种基于MEMS技术的集成微热管散热器，其特征在于，所述气相工质出口、气相工质进口位于所述热循环管道的两端部，所述液相工质出口、液相工质进口位于所述冷循环管道的两端部，使得气相工质出口和液相工质出口距离最远，这样能使集成微热管散热器整体的最高温度最低。
4.根据权利要求1所述的一种基于MEMS技术的集成微热管散热器，其特征在于，所述内部微流道结构由多个微流道构成，多个微流道的尺寸相同或不相同。
5.根据权利要求4所述的一种基于MEMS技术的集成微热管散热器，其特征在于，所述微流道包括粗微流道和细微流道，粗微流道比细微流道截面积大，且粗微流道和细微流道间隔分布，即相邻两个粗微流道之间为一细微流道，粗微流道和细微流道互相平行，使流道变窄，加剧毛细作用。
6.根据权利要求4所述的一种基于MEMS技术的集成微热管散热器，其特征在于，所述微流道为长方体或四棱台或三棱柱的其中一种或多种结构，多个微流道平行排列的。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于MEMS技术的集成微热管散热器，其特征在于，所述散热腔体、吸热腔体、循环管道和内部微流道结构，由Au、Ag、Cu、Al、Zn或Ni材料的一种或几种制成。
8.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于MEMS技术的集成微热管散热器，其特征在于，所述散热腔体、循环管道和吸热腔体由MEMS技术的电镀工艺进行一体化制作。
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