CN108493173A - 一种智能响应芯片热点的自适应调控散热装置 - Google Patents

一种智能响应芯片热点的自适应调控散热装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种智能响应芯片热点的自适应调控散热装置，包括散热器基板和上盖板，上盖板中心位置刻蚀有通孔，散热器基板上刻蚀有与通孔对应且相同半径的中心流体进口，散热器基板上还刻蚀有与中心流体进口相通的多个分形微流道，每个分形微流道中且在两个分支流道的一侧壁上分别嵌有工字型热缩型温敏型水凝胶，两个分支流道的另一侧壁上分别设置有凹坑，且该凹坑与水凝胶在该分支流道上错位设置。该装置换热能力强，流动压降小。水凝胶能智能响应芯片的局部热点并在一定温度条件下发生体积变化，对分形微流道内散热流体进行自适应流量调控和流量重新分配，快速带走芯片局部热点热量，维持芯片表面温度的均匀。

Description

一种智能响应芯片热点的自适应调控散热装置
技术领域
本发明涉及一种芯片散热装置，尤其涉及一种智能响应芯片热点的自适应调控散热装置。
背景技术
近年来，随着微电子技术特别是军用电子和微波器件的发展，高功率电子芯片朝着小型化、多集成度的方向飞速发展。从集成方面来看，摩尔定律表明，IC器件内半导体器件的数量每18个月就会增加一倍。据I TRS 2014年的统计和预测报告，在芯片尺寸维持不变的基础上，单位面积上集成的半导体数目随着年份逐渐增加，芯片特征尺寸正在逐年减小，导致电子元器件的单位体积功率密度越来越大，芯片的热流密度越来越高，其值可达60-1000W/cm2。同时，由于芯片上半导体的布置和集成不均匀，芯片上功率分布变得越来越不均匀，局部热点问题频发。过高的温度给电子设备运行的可靠性带来巨大挑战，使得设备或系统的性能下降，严重影响了电子产品的质量和可靠性。相关数据表明，电子设备失效率随器件的温升呈指数规律上升。因此，如何高效地传递芯片上的热量并维持芯片处于正常工作温度范围内，预防芯片的热失效问题的发生，已经成为微电子设备结构设计的一项关键技术。
目前已有的关于芯片散热装置的研究中，大多集中于芯片的整体散热，针对芯片局部热点的散热研究较少。然而，研究表明，芯片局部热点的热流密度可高达1000W/cm2，极其容易造成局部热点问题和局部电子器件的失效。而个别关于芯片局部热点散热的研究也主要是通过半导体的集成先预测出热点易出现的位置，然后依据预测局部热点设计特殊的流道结构。该冷却技术由于结构固定，只能机械式的冷却固定区域的热点，对于芯片的不可控热点冷却效果较差。因此，在芯片局部热点频发的今天，有必要对高热流密度芯片局部热点的散热问题展开系统研究，开发一种能智能感应高热流密度芯片局部热点并进行自适应流量调控和散热的新技术，从而有效预防芯片的热失效问题。
发明内容
针对芯片的局部热失效问题，本发明提供了一种智能响应芯片热点的自适应调控散热装置，该散热装置的分形微流道基于仿生原理设计，能以较低的压降和较高的传热性能快速带走芯片表面的热量。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
一种智能响应芯片热点的自适应调控散热装置，包括散热器基板和上盖板，所述上盖板盖在散热器基板上并与散热器基板密封配合；所述上盖板中心位置刻蚀有一作为流体入口的通孔，所述散热器基板上刻蚀有与上盖板的通孔对应且相同半径的中心流体进口，所述散热器基板上还对称均匀刻蚀有与中心流体进口相通的多个分形微流道，每个分形微流道中的分支流道呈Y型设置，每个分形微流道中且在两个分支流道的一侧壁上分别嵌有工字型热缩型温敏型水凝胶，两个分支流道的另一侧壁上分别设置有凹坑，所述凹坑的尺寸与水凝胶伸进对应的分支流道内的部分的尺寸相同，且该凹坑与工字型热缩型温敏型水凝胶在该分支流道上错位设置；两个分支流道上的工字型热缩型温敏型水凝胶和凹坑相对该对应的分形微流道的中心线对称设置。
作为本发明的一种优选方案，所述分形微流道为三级支流道，第一级支流道的进口与散热器基板上的中心流体进口连通，所述第一级支流道的出口与两个第二级支流道的进口连通，每个所述第二级支流道的出口与两个第三级支流道的进口连通，所述第三级支流道的出口作为流体出口并位于散热器基板的外侧壁面，每个分形微流道的两个第二级支流道上分别设置工字型热缩型温敏型水凝胶和凹坑。
作为本发明的另一种优选方案，所述分形微流道基于仿生原理设计，采用Y型流道设计，呈中心对称均匀刻蚀在散热器基板上，散热流体流过Y型分支流道时进一步分流。
作为本发明的又一种改进方案，Y型分支流道，在分流部位采用平角分流，分流部位加工成平台形状。
作为本发明的一种改进方案，水凝胶加工成工字型结构，成对对称嵌入分形微流道中两个第二级支流道的相邻壁面中，工字型嵌入能有效固定水凝胶，防止水凝胶被散热流体冲走。
作为本发明的另一种改进方案，所述水凝胶与凹坑在第二级支流道上形成错位凹凸结构。
作为本发明的进一步改进方案，该水凝胶能对周围环境温度变化做出响应并发生可逆形变；当周围环境温度上升超过水凝胶的最低临界转变温度时，处于平衡态的水凝胶在极短的时间内做出形变响应，快速收缩，体积减小；当周围环境温度下降后，水凝胶体积膨胀，恢复至原来的体积状态。
该散热装置的分形微流道基于仿生原理设计，能以较低的压降和较高的传热性能快速带走芯片表面的热量。同时，由于热缩型温敏型水凝胶对温度变化的智能响应性能以及随温度变化发生形变的特性，本发明能够通过水凝胶的嵌入实现对局部热点的智能感应，同时借助其快速形变特性在分形微流道分流过程中实现各分支微流道中流量的自动调控和流量的重新分配，快速增大局部热点区域附近微流道中的散热流体流量并强化局部热点的散热，降低局部热点温度，提高芯片表面温度的均匀性，维持高热流密度芯片在局部热点条件下的正常工作，解决当前局部热点造成的芯片热失效的困境。与其他能测量温度的微型散热器相比，本发明由于无需设置特定的温度传感器和反馈系统，系统更加经济简单。
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
1、本发明的分形微流道基于仿生原理设计，与其他微尺度散热相比，能以更强的散热性能和更低的流动压降实现微尺度散热。
2、本发明将热缩型温敏型水凝胶对称嵌入分形微流道中。首先，利用水凝胶对温度变化的智能响应性能实现水凝胶对芯片局部热点的监测和感应。感应到温度变化后，一旦温度超过了热缩型温敏型水凝胶的最低临界转变温度(LCST)，处于平衡态的水凝胶在极短的时间内做出形变响应，快速收缩，收缩后的水凝胶所在的分支流道由于水凝胶的收缩，对流体的阻力减小，来自上一级的散热流体在通过水凝胶所在分支流道时，更多的流体会进入水凝胶发生收缩的流道，自动实现分流过程中流量的调控和重新分配，即局部热点所对应的微流道内的流量增加，周围流道的流量减小。增加的流量能快速将局部热点的热量带走，防止局部热失效问题，维持芯片表面温度的均匀。而当收缩后的水凝胶周围温度下降至LCST甚至更低时，水凝胶发生体积膨胀，恢复至原来的体积状态(平衡态)。若再次感应到温度超过LCST，水凝胶将再次收缩，即水凝胶可根据周围环境温度的变化进行收缩-膨胀的循环过程。
3、本发明的热缩型温敏型水凝胶加工成工字型，并采用工字型方式嵌入相邻壁面，能有效防止水凝胶被流体带走，起到固定水凝胶的作用。同时，与其他固定方式相比，此种嵌入方式不需要其他的辅助装置和配件，简单易行且固定性好。
4、本发明的凹坑与处于常规状态下的水凝胶错位设置，构成了错位凹凸的结构，能打破微流道中的流体边界层，增大微流道中的流体的扰动和相互掺混，增强流体的对流换热能力，从而提高整个微型换热装置的换热性能。
5、本发明的散热流体进口设置在上盖板中心，采用中心进口，相比于其他流体进入方式，中心流体进入方式压降更小。
6、本发明使用范围广，适用于多种微型半导体的散热，且设计简单合理，制造成本低，具有很好的经济、社会效益，应用前景广阔。
附图说明
图1为一种智能响应芯片热点的自适应调控散热装置的结构示意图；
图2为一种智能响应芯片热点的自适应调控散热装置的局部剖面图；
图3为局部分形微流道的结构示意图；
图4为局部热点条件下某分支流道内温敏型水凝胶发生体积收缩形变行为和流道内流体流动状态变化示意图。
图中，1—散热器基板；2—上盖板；3—通孔；4—分形微流道；41—第一级支流道；42—第二级支流道；43—第三级支流道；5—水凝胶；6—流体出口；7—凹坑。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
如图1、2所示，一种智能响应芯片热点的自适应调控散热装置，包括散热器基板1和上盖板2，上盖板2盖在散热器基板1上并与散热器基板1密封配合。上盖板2与散热器基板1的面积、材料相同且上盖板2和散热器基板1采用硅胶粘合在一起，也可施加预紧力来提高密封性。上盖板2中心位置刻蚀有一作为流体入口的通孔3。散热器基板1上刻蚀有与上盖板2的通孔3对应且相同半径的中心流体进口，散热器基板1上还对称均匀刻蚀有与中心流体进口相通的多个分形微流道4，在本实施例中，设置有六个分形微流道4，用于散热工质的流动。每个分形微流道4中的分支流道呈Y型设置，每个分形微流道4中且在两个分支流道的一侧壁上分别嵌有工字型热缩型温敏型水凝胶5，两个分支流道的另一侧壁上分别设置有凹坑7，凹坑7的尺寸与水凝胶5伸进对应的分支流道内的部分的尺寸相同，且该凹坑7与工字型热缩型温敏型水凝胶5在该分支流道上错位设置；两个分支流道上的工字型热缩型温敏型水凝胶5和凹坑7相对该对应的分形微流道4的中心线对称设置。分形微流道4为三级支流道，第一级支流道41的进口与散热器基板1上的中心流体进口连通，第一级支流道41的出口与两个第二级支流道42的进口连通，每个所述第二级支流道42的出口与两个第三级支流道43的进口连通，第三级支流道43的出口作为流体出口6并位于散热器基板1的外侧壁面，每个分形微流道4的两个第二级支流道42上分别设置工字型热缩型温敏型水凝胶5和凹坑7。
散热器基板1和上盖板2的具体制作过程为：首先提供一块厚度为1mm，半径为20mm的圆形散热器基板1(铝，铜以及硅等常用散热器材料)，一块厚度为0.25mm，半径为20mm的与散热器基板1相同材料的上盖板2。用光刻和蚀刻等方法在散热器基板1上加工出一个半径为1mm，深度为0.5mm的圆形的中心流体进口以及六个对称的深度为0.5mm的仿生Y型微流道，分形微流道分为三级支流道，其中：第一级支流道41的长9mm，宽1mm；第二级支流道42的长7mm，宽0.6mm；第三级支流道43的长5mm，宽0.4mm，中心流体进口与各个分形微流道4的第一级支流道41相连通。同样的，上盖板2的中心采用光刻和蚀刻等方法加工出一个半径为1mm，深度为0.25mm的圆形的通孔3。上盖板2的通孔3与散热器基板1上刻蚀的中心流体进口相通。各个第三级支流道43的出口即为整个微型散热装置的流体出口6。如图3所示，在各第二级支流道42内侧相邻的微流道壁面上嵌入温敏型水凝胶5，且将特定的温敏型水凝胶5加工成特殊的工字型形状，并以此形状嵌入微流道壁面。相对应的，在各第二级支流道42的另一侧壁面上采用光刻和蚀刻的方法刻蚀出矩形凹坑7。达到微流道中最强扰动的错位凸凹的效果，应尽量保持矩形凹坑7和温敏型水凝胶5的尺寸相同，且位置错开。
分形微流道4基于仿生原理设计，采用Y型流道设计，呈中心对称均匀刻蚀在散热器基板1上，散热流体流过Y型分支流道时进一步分流。Y型分支流道，在分流部位采用平角分流，分流部位加工成平台形状。本发明的Y型分支流道，在分流位置处采用平台式分流，与常规尖角式分流相比，平台式分流能以较小流阻增加实现大幅度强化换热，降低芯片表面最高温度，表1是同样热流密度条件和流速进口条件下单支分形微流道在尖角分流和平台式分流情况下的散热结果。可以看出，平台式分流的分形微流道在强化换热方面的优势。
表1芯片最高温度(K)(流体进口流速1m/s)
热流密度(W/m2) 10 20 30 40 50
尖角分流 299.014 305.027 311.041 317.054 323.067
平角分流 298.598 304.397 309.795 315.394 320.992
该水凝胶能对周围环境温度变化做出响应并发生可逆形变；当周围环境温度上升超过水凝胶的最低临界转变温度时，处于平衡态的水凝胶在极短的时间内做出形变响应，快速收缩，体积减小；当周围环境温度下降后，水凝胶体积膨胀，恢复至原来的体积状态(平衡态)，且水凝胶可多次重复进行此收缩-膨胀的体积变化过程。
对芯片进行散热时，整个微型仿生分形液冷微型散热装置至于热源上方，散热流体从通孔3进入，通过散热基板1的中心流体进口进入各个分形微流道4，并经由流体出口6流出。散热基板1将芯片热量传导上来并和分形微流道4中的散热流体进行热量交换，散热流体温度升高，将芯片热量带走。同时，流体由于受到温敏型水凝胶5和凹坑7的错位凸凹效果的扰动，换热得到增强；当存在局部热点时，若热源位置处于温敏型水凝胶5-1周围，则温敏型水凝胶5-1周围温度快速升高至超过水凝胶的最低临界转变温度(LCST)(33-42℃)，水凝胶5-1由于其特殊的温度响应性能发生体积收缩，而此时水凝胶5-2由于周围温度没有超过LCST，其形状保持不变。由于水凝胶5-2的体积大于水凝胶5-1，对流体的阻挡作用更强，水凝胶5-1体积收缩，对流体的阻挡作用小。因此来自第一级支流道41的流体在进入第二级支流道42进行分流的时候，进入水凝胶5-1所在分支流道的流量增加，进入水凝胶5-2所在分支流道的流量减少，自动实现流量的重新分配。其具体的水凝胶形变行为和流道内流体流动状态的变化如图4所示。由于水凝胶5-1所在分支流道的流量增加，其换热增强，因此能在很短的时间内将热点的热量带走，对热点实施冷却，保证整个芯片表面温度的均匀性。由于温敏型水凝胶是对称分布于圆盘形散热器基板1中，因此能智能感应多个区域的局部热点对其进行散热，维持芯片表面温度处于一个更加均匀的状态。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种智能响应芯片热点的自适应调控散热装置，其特征在于：包括散热器基板(1)和上盖板(2)，所述上盖板(2)盖在散热器基板(1)上并与散热器基板(1)密封配合；所述上盖板(2)中心位置刻蚀有一作为流体入口的通孔(3)，所述散热器基板(1)上刻蚀有与上盖板(2)的通孔(3)对应且相同半径的中心流体进口，所述散热器基板(1)上还对称均匀刻蚀有与中心流体进口相通的多个分形微流道(4)，每个分形微流道(4)中的分支流道呈Y型设置，每个分形微流道(4)中且在两个分支流道的一侧壁上分别嵌有工字型热缩型温敏型水凝胶(5)，两个分支流道的另一侧壁上分别设置有凹坑(7)，所述凹坑(7)的尺寸与水凝胶(5)伸进对应的分支流道内的部分的尺寸相同，且该凹坑(7)与工字型热缩型温敏型水凝胶(5)在该分支流道上错位设置；两个分支流道上的工字型热缩型温敏型水凝胶(5)和凹坑(7)相对该对应的分形微流道(4)的中心线对称设置。
2.根据权利要求1所述的一种智能响应芯片热点的自适应调控散热装置，其特征在于：所述分形微流道(4)为三级支流道，第一级支流道(41)的进口与散热器基板(1)上的中心流体进口连通，所述第一级支流道(41)的出口与两个第二级支流道(42)的进口连通，每个所述第二级支流道(42)的出口与两个第三级支流道(43)的进口连通，所述第三级支流道(43)的出口作为流体出口(6)并位于散热器基板(1)的外侧壁面，每个分形微流道(4)的两个第二级支流道(42)上分别设置工字型热缩型温敏型水凝胶(5)和凹坑(7)。
3.根据权利要求2所述的一种智能响应芯片热点的自适应调控散热装置，其特征在于：所述分形微流道(4)基于仿生原理设计，采用Y型流道设计，呈中心对称均匀刻蚀在散热器基板(1)上，散热流体流过Y型分支流道时进一步分流。
4.根据权利要求3所述的一种智能响应芯片热点的自适应调控散热装置，其特征在于：Y型分支流道，在分流部位采用平角分流，分流部位加工成平台形状。
5.根据权利要求4所述的一种智能响应芯片热点的自适应调控散热装置，其特征在于：水凝胶(5)加工成工字型结构，成对对称嵌入分形微流道(4)中两个第二级支流道(42)的相邻壁面中，工字型嵌入能有效固定水凝胶，防止水凝胶被散热流体冲走。
6.根据权利要求5所述的一种智能响应芯片热点的自适应调控散热装置，其特征在于：所述水凝胶(5)与凹坑(7)在第二级支流道(42)上形成错位凹凸结构。
7.根据权利要求1至6任一项权利要求所述的一种智能响应芯片热点的自适应调控散热装置，其特征在于：该水凝胶能对周围环境温度变化做出响应并发生可逆形变；当周围环境温度上升超过水凝胶的最低临界转变温度时，处于平衡态的水凝胶在极短的时间内做出形变响应，快速收缩，体积减小；当周围环境温度下降后，水凝胶体积膨胀，恢复至原来的体积状态。
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